JP2023171464A - Measurement device and measurement method - Google Patents

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Abstract

To easily change the shift amount and/or the shift direction for shifting the frequency of a frequency shift feedback laser.SOLUTION: Disclosed is a laser device for outputting the frequency-modulated laser light in a plurality of modes, which includes: an amplification medium which amplifies the input light; a laser resonator having an optical SSB modulator for performing frequency-shifting on the frequency of the light amplified by the amplification medium; and a control part for controlling the optical SSB modulator to perform the frequency-shift of the frequency of light to be inputted to the optical SSB modulator. The laser device, a measurement device and a measurement method are provided.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザ装置、測定装置、および測定方法に関する。 The present invention relates to a laser device, a measuring device, and a measuring method.

共振器内に周波数シフタが設けられ、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化する複数の縦モードレーザを出力する周波数シフト帰還レーザ(FSFL:Frequency Shifted Feedback Laser)が知られている。また、このような周波数シフト帰還レーザを用いた光学式の距離計が知られている(例えば、特許文献1および非特許文献1を参照)。また、周波数シフタとして、光SSB(Single Side Band)変調器が知られている(例えば、特許文献2および3を参照)。 2. Description of the Related Art A frequency shifted feedback laser (FSFL) is known, which includes a frequency shifter in a resonator and outputs a plurality of longitudinal mode lasers whose oscillation frequency changes linearly over time. Further, an optical rangefinder using such a frequency-shifted feedback laser is known (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). Further, as a frequency shifter, an optical SSB (Single Side Band) modulator is known (see, for example, Patent Documents 2 and 3).

特許第3583906号明細書Patent No. 3583906 specification 特許第3867148号明細書Patent No. 3867148 specification 特許第4524482号明細書Patent No. 4524482 specification

原武文,「FSFレーザによる距離センシングとその応用」,オプトニューズ,Vol.7,No.3,2012年,pp.25-31Takefumi Hara, “Distance sensing using FSF laser and its applications,” Opto News, Vol. 7, No. 3, 2012, pp. 25-31

このような周波数シフト帰還レーザとして、音響光学素子を用いた周波数シフタが共振器内に設けられている構成が知られている。音響光学素子は、素子内における超音波信号が伝播している領域に光を入力させると、入力光の周波数から超音波信号の周波数だけシフトさせた周波数の回折光を出力する素子である。このような音響光学素子は、シフトさせる周波数および周波数の正負を容易に変更することができなかった。したがって、このような音響光学素子を用いた周波数シフト帰還レーザは、周波数のシフト量およびシフト方向を容易に変更することができなかった。 As such a frequency-shifted feedback laser, a configuration in which a frequency shifter using an acousto-optic element is provided in a resonator is known. An acousto-optic element is an element that outputs diffracted light at a frequency shifted by the frequency of the ultrasonic signal from the frequency of the input light when light is input into a region within the element where an ultrasonic signal is propagating. Such an acousto-optic element cannot easily change the frequency to be shifted and the sign or negative of the frequency. Therefore, in a frequency-shifted feedback laser using such an acousto-optic element, the amount and direction of frequency shift cannot be easily changed.

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、周波数シフト帰還レーザの周波数をシフトさせるシフト量および/またはシフト方向を容易に変更できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and it is an object of the present invention to enable the shift amount and/or shift direction for shifting the frequency of a frequency shift feedback laser to be easily changed.

本発明の第1の態様においては、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置であって、入力する光を増幅する増幅媒体と、前記増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光SSB変調器とを有するレーザ共振器と、前記光SSB変調器を制御して、前記光SSB変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部とを備える、レーザ装置を提供する。 In a first aspect of the present invention, there is provided a laser device that outputs frequency modulated laser light in a plurality of modes, which includes an amplification medium that amplifies input light, and a frequency shift of the frequency of the light amplified by the amplification medium. The present invention provides a laser device comprising: a laser resonator having an optical SSB modulator; and a control unit that controls the optical SSB modulator to shift the frequency of light input to the optical SSB modulator.

前記制御部は、前記光SSB変調器の周波数シフト量を設定してもよい。 The control unit may set a frequency shift amount of the optical SSB modulator.

前記光SSB変調器は、基板と、前記基板に設けられており、第1アーム導波路および第2アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、前記第1アーム導波路に設けられている第1サブマッハツェンダ導波路と、前記第2アーム導波路に設けられている第2サブマッハツェンダ導波路とを有し、前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第1サブマッハツェンダ導波路、および前記第2サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧およびRF信号を供給し、周波数を変更して前記周波数シフト量を設定してもよい。 The optical SSB modulator includes a substrate, a main Mach-Zehnder waveguide provided on the substrate and having a first arm waveguide and a second arm waveguide, and a first main Mach-Zehnder waveguide provided in the first arm waveguide. It has a sub-Mach-Zehnder waveguide and a second sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the second arm waveguide, and the control unit controls the main Mach-Zehnder waveguide, the first sub-Mach-Zehnder waveguide, and the second sub-Mach-Zehnder waveguide. The frequency shift amount may be set by supplying a DC voltage and an RF signal of predetermined values to electrodes provided on the substrate corresponding to the two-sub Mach-Zehnder waveguide, and changing the frequency.

前記制御部は、前記光SSB変調器の周波数シフト方向を設定してもよい。 The control unit may set a frequency shift direction of the optical SSB modulator.

前記光SSB変調器は、基板と、前記基板に設けられており、第1アーム導波路および第2アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、前記第1アーム導波路に設けられている第1サブマッハツェンダ導波路と、前記第2アーム導波路に設けられている第2サブマッハツェンダ導波路とを有し、前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第1サブマッハツェンダ導波路、および前記第2サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧を供給して前記周波数シフト方向を切り換えてもよい。 The optical SSB modulator includes a substrate, a main Mach-Zehnder waveguide provided on the substrate and having a first arm waveguide and a second arm waveguide, and a first main Mach-Zehnder waveguide provided in the first arm waveguide. It has a sub-Mach-Zehnder waveguide and a second sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the second arm waveguide, and the control unit controls the main Mach-Zehnder waveguide, the first sub-Mach-Zehnder waveguide, and the second sub-Mach-Zehnder waveguide. The frequency shift direction may be switched by supplying a DC voltage of a predetermined value to electrodes provided on the substrate corresponding to the two sub-Mach-Zehnder waveguides.

前記光SSB変調器は、基板と、前記基板に設けられており、第1アーム導波路および第2アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、前記第1アーム導波路に設けられている第1サブマッハツェンダ導波路と、前記第2アーム導波路に設けられている第2サブマッハツェンダ導波路とを有し、前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第1サブマッハツェンダ導波路、および前記第2サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に供給するRF信号の位相を反転して、前記周波数シフト方向を切り換えてもよい。 The optical SSB modulator includes a substrate, a main Mach-Zehnder waveguide provided on the substrate and having a first arm waveguide and a second arm waveguide, and a first main Mach-Zehnder waveguide provided in the first arm waveguide. It has a sub-Mach-Zehnder waveguide and a second sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the second arm waveguide, and the control unit controls the main Mach-Zehnder waveguide, the first sub-Mach-Zehnder waveguide, and the second sub-Mach-Zehnder waveguide. The frequency shift direction may be switched by inverting the phase of the RF signal supplied to the electrodes provided on the substrate corresponding to the two-sub Mach-Zehnder waveguide.

本発明の第2の態様においては、第1の態様の前記レーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部とを備える、測定装置を提供する。 In a second aspect of the present invention, in the laser device of the first aspect, a part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device is used as a reference light, and at least a part of the remaining part is branched as a measurement light. a branching section; a beat signal generating section that generates a beat signal by mixing the reflected light reflected by irradiating the measurement light onto the measurement target and the reference light; and frequency-analyzing the beat signal. A measuring device is provided, including a detection unit that detects a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light.

本発明の第2の態様においては、第1の態様の前記レーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部とを備える、測定装置を提供する。 In a second aspect of the present invention, in the laser device of the first aspect, a part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device is used as a reference light, and at least a part of the remaining part is branched as a measurement light. a branching section; a beat signal generating section that generates a beat signal by mixing the reflected light reflected by irradiating the measurement light onto the measurement target and the reference light; and frequency-analyzing the beat signal. A measuring device is provided, including a detection unit that detects a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light.

本発明の第3の態様においては、第1の態様の前記レーザ装置と、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部とを備える、測定装置を提供する。 In a third aspect of the present invention, in the laser device of the first aspect, a part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device is used as a reference light, and at least a part of the remaining part is branched as a measurement light. a branching section; a beat signal generating section that generates a beat signal by mixing the reflected light reflected by irradiating the measurement light onto the measurement target and the reference light; and frequency-analyzing the beat signal. A measuring device is provided, including a detection unit that detects a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light.

前記制御部は、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を第1周波数と前記第1周波数よりも大きい第2周波数とのいずれかに設定してから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、前記検出部は、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第1周波数にした場合に発生した次数判定ビート信号と、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第2周波数にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出してもよい。 The control unit sets the frequency shift amount of the optical SSB modulator to either a first frequency or a second frequency larger than the first frequency, and then causes the detection unit to frequency-analyze the beat signal. and the detection unit detects an order determination beat signal generated when the frequency shift amount of the optical SSB modulator is set to the first frequency and the frequency shift amount of the optical SSB modulator to the second frequency. The difference in propagation distance between the reference light and the measurement light may be detected based on the results of frequency analysis of the distance measurement beat signals generated when the reference light and the measurement light are used.

前記制御部は、前記光SSB変調器の前記周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に切り換えてから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、前記検出部は、前記光SSB変調器の前記周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、前記光SSB変調器の前記周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出してもよい。 The control section switches the frequency shift direction of the optical SSB modulator to either the positive side or the negative side, and then causes the detection section to frequency-analyze the beat signal. Frequency analysis is performed on a positive beat signal generated when the frequency shift direction of the modulator is set to the positive side, and a negative side beat signal generated when the frequency shift direction of the optical SSB modulator is set to the negative side. Based on the result, a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light may be detected.

前記ビート信号発生部は、前記反射光および前記参照光を直交検波してもよい。 The beat signal generator may perform orthogonal detection of the reflected light and the reference light.

本発明の第4の態様においては、光SSB変調器の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、レーザ共振器内に増幅媒体と前記光SSB変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して正側ビート信号を発生させるステップと、前記光SSB変調器の前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、前記正側ビート信号および前記負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップとを備える、測定方法を提供する。 In a fourth aspect of the present invention, the step of setting the frequency shift direction of the optical SSB modulator to either the positive side or the negative side, and comprising an amplification medium and the optical SSB modulator in a laser resonator. outputting a plurality of modes of frequency modulated laser light from a laser device; a step of making a part of the frequency modulated laser light output by the laser device a reference light and branching at least part of the remaining part as a measurement light; generating a positive beat signal by irradiating the measurement light onto the measurement target and mixing the reflected light with the reference light; and changing the frequency shift direction of the optical SSB modulator to the opposite direction. and detecting a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on the results of frequency analysis of the positive beat signal and the negative beat signal. Provided is a measurement method comprising:

本発明の第5の態様においては、光SSB変調器の周波数シフト量を第1周波数に設定するステップと、レーザ共振器内に増幅媒体と前記光SSB変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第1周波数よりも大きい第2周波数に切り換えて、距離測定ビート信号を発生させるステップと、前記次数判定ビート信号および前記距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップとを備える、測定方法を提供する。 In a fifth aspect of the present invention, the step of setting the frequency shift amount of an optical SSB modulator to a first frequency, and the step of setting a frequency shift amount of an optical SSB modulator to a first frequency, outputting a frequency modulated laser beam, a step of using a part of the frequency modulated laser beam outputted by the laser device as a reference beam, and branching at least a part of the remaining part as a measurement beam; generating an order determination beat signal by mixing reflected light irradiated onto an object and reflected by the reference light; and detecting a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on the result of frequency analysis of the order determination beat signal and the distance measurement beat signal. Provided is a measuring method comprising steps.

本発明の第6の態様においては、光SSB変調器の周波数シフト量を第1周波数に設定し、周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、レーザ共振器内に増幅媒体と前記光SSB変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第1周波数よりも大きい第2周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させるステップと、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第2周波数のまま、前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、前記次数判定ビート信号、前記正側ビート信号、および前記負側ビート信号に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップとを備える、測定方法を提供する。 In the sixth aspect of the present invention, the step of setting the frequency shift amount of the optical SSB modulator to the first frequency and setting the frequency shift direction to either the positive side or the negative side; outputting a plurality of modes of frequency modulated laser light from a laser device having an amplification medium and the optical SSB modulator; a step of branching a part of the measurement light as a measurement light; a step of generating an order determination beat signal by mixing the reference light with a reflected light that is reflected by irradiating the measurement light onto the measurement object; and a step of generating an order determination beat signal by switching the frequency shift amount of the modulator to a second frequency larger than the first frequency to generate a positive beat signal; and keeping the frequency shift amount of the optical SSB modulator at the second frequency; switching the frequency shift direction to the opposite direction to generate a negative beat signal; and adjusting the reference light and the measurement light based on the order determination beat signal, the positive beat signal, and the negative beat signal. and detecting a difference in propagation distance between the two.

本発明によれば、周波数シフト帰還レーザの周波数をシフトさせるシフト量および/またはシフト方向を容易に変更できるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to easily change the shift amount and/or the shift direction for shifting the frequency of the frequency-shifted feedback laser.

本実施形態に係るレーザ装置110の構成例を示す。A configuration example of a laser device 110 according to the present embodiment is shown. AOFS20の構成例を示す。An example of the configuration of the AOFS 20 is shown. 本実施形態に係る光SSB変調器30と制御部50の構成例を示す。A configuration example of an optical SSB modulator 30 and a control unit 50 according to the present embodiment is shown. 本実施形態に係るレーザ装置110が出力するレーザ光の一例を示す。An example of laser light output by the laser device 110 according to the present embodiment is shown. 本実施形態に係る測定装置100の構成例を計測対象物10と共に示す。A configuration example of a measuring device 100 according to this embodiment is shown together with a measurement target 10. 本実施形態に係る測定装置100が検出するビート信号の周波数と、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離dとの関係の一例を示す。An example of the relationship between the frequency of the beat signal detected by the measuring device 100 according to the present embodiment and the distance d between the optical head section 140 and the measurement target object 10 is shown. 本実施形態に係るビート信号発生部150および検出部160の構成例を示す。A configuration example of a beat signal generation section 150 and a detection section 160 according to the present embodiment is shown. 本実施形態に係るビート信号発生部150および検出部160の直交検波の概略の一例を示す。An example of the outline of orthogonal detection of the beat signal generating section 150 and the detecting section 160 according to the present embodiment is shown. 本実施形態に係る測定装置100の動作フローの第1例を示す。A first example of the operation flow of the measuring device 100 according to the present embodiment is shown. 本実施形態に係る測定装置100の参照光および測定光の光周波数と、観測されるビート信号の周波数の概念を示す。The concept of the optical frequencies of the reference light and measurement light of the measuring device 100 according to this embodiment, and the frequency of the observed beat signal is shown. 本実施形態に係る測定装置100の動作フローの第2例を示す。A second example of the operation flow of the measuring device 100 according to the present embodiment is shown. 本実施形態に係るレーザ装置110の周波数シフト量νと絶対測長範囲との関係の概念を示す。The concept of the relationship between the frequency shift amount ν s and the absolute length measurement range of the laser device 110 according to the present embodiment is illustrated. 本実施形態に係る測定装置100の動作フローの第3例を示す。A third example of the operation flow of the measuring device 100 according to the present embodiment is shown. 本実施形態に係る制御部50の変形例を光SSB変調器30と共に示す。A modified example of the control unit 50 according to the present embodiment is shown together with the optical SSB modulator 30.

[レーザ装置110の構成例]
図1は、本実施形態に係るレーザ装置110の構成例を示す。図1に示すレーザ装置110は、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する周波数シフト帰還レーザの一例を示す。レーザ装置110は、レーザ共振器を有し、当該レーザ共振器内でレーザ光を発振させる。レーザ装置110のレーザ共振器は、周波数シフタ112と、増幅媒体114と、WDMカプラ116と、ポンプ光源117、出力カプラ118とを含むレーザ共振器を有する。
[Example of configuration of laser device 110]
FIG. 1 shows a configuration example of a laser device 110 according to this embodiment. A laser device 110 shown in FIG. 1 is an example of a frequency-shifted feedback laser that outputs frequency-modulated laser light in a plurality of modes. The laser device 110 has a laser resonator and oscillates a laser beam within the laser resonator. The laser resonator of the laser device 110 includes a frequency shifter 112 , an amplification medium 114 , a WDM coupler 116 , a pump light source 117 , and an output coupler 118 .

周波数シフタ112は、入力する光の周波数を略一定の周波数だけ周波数シフトする。ここで、周波数シフタ112による周波数シフト量を+νまたは-νとする。例えば、周波数シフタ112は、共振器を周回する光の周波数を、1周回毎にνだけ周波数が増加するようにシフトさせる。 The frequency shifter 112 shifts the frequency of input light by a substantially constant frequency. Here, the amount of frequency shift by the frequency shifter 112 is assumed to be +ν s or −ν s . For example, the frequency shifter 112 shifts the frequency of light circulating around the resonator so that the frequency increases by ν s for each revolution.

増幅媒体114は、ポンプ光が供給され、入力する光を増幅する。増幅媒体114は、一例として、不純物が添加された光ファイバである。不純物は、例えば、エルビウム、ネオジウム、イッテルビウム、テルビウム、ツリウム等の希土類元素である。また、増幅媒体114は、WDMカプラ116を介してポンプ光源117からポンプ光が供給される。出力カプラ118は、共振器内でレーザ発振した光の一部を外部に出力する。 The amplification medium 114 is supplied with pump light and amplifies the input light. The amplification medium 114 is, for example, an optical fiber doped with impurities. The impurity is, for example, a rare earth element such as erbium, neodymium, ytterbium, terbium, or thulium. Further, pump light is supplied to the amplification medium 114 from a pump light source 117 via a WDM coupler 116 . The output coupler 118 outputs a portion of the laser oscillated light within the resonator to the outside.

即ち、図1に示すレーザ装置110は、共振器内に周波数シフタ112を有するファイバリングレーザを構成する。レーザ装置110は、共振器内にアイソレータを更に有することが望ましい。また、レーザ装置110は、予め定められた波長帯域の光を通過させる光バンドパスフィルタを共振器内に有してもよい。 That is, the laser device 110 shown in FIG. 1 constitutes a fiber ring laser having a frequency shifter 112 within a resonator. It is desirable that the laser device 110 further include an isolator within the resonator. Further, the laser device 110 may include an optical bandpass filter in the resonator that passes light in a predetermined wavelength band.

このようなレーザ装置110に用いられている周波数シフタ112として、従来、音響光学素子を有するAOFS(Acousto-Optic Frequency Shifter)が知られている。AOFSについて次に説明する。 As the frequency shifter 112 used in such a laser device 110, an AOFS (Acousto-Optic Frequency Shifter) having an acousto-optic element is conventionally known. AOFS will be explained next.

[AOFS20の構成例]
図2は、AOFS20の構成例を示す。AOFS20は、光学結晶21と、超音波トランスデューサ22と、超音波吸収体23と、発振器24とを備える。光学結晶21は、光を透過させる結晶であり、例えば、TeO2、PbMoO4、重フリントガラス等である。
[Configuration example of AOFS20]
FIG. 2 shows a configuration example of the AOFS 20. The AOFS 20 includes an optical crystal 21, an ultrasonic transducer 22, an ultrasonic absorber 23, and an oscillator 24. The optical crystal 21 is a crystal that transmits light, and is made of, for example, TeO 2 , PbMoO 4 , heavy flint glass, or the like.

超音波トランスデューサ22は、光学結晶21の端面に設けられ、発振器24から供給される周波数ωの電気信号に応じた超音波を発生させる。超音波トランスデューサ22は、例えば、光学結晶21の一の端面から一の端面に対向する端面へと発生させた超音波を伝播させる。図2において、超音波の伝播方向の一例を矢印で示す。なお、光学結晶21の超音波トランスデューサ22が設けられている端面に対向する端面には、超音波吸収体23が設けられている。 The ultrasonic transducer 22 is provided on the end face of the optical crystal 21 and generates ultrasonic waves according to the electrical signal of frequency ω 1 supplied from the oscillator 24 . The ultrasonic transducer 22 propagates generated ultrasonic waves, for example, from one end surface of the optical crystal 21 to an end surface opposite to the other end surface. In FIG. 2, an example of the propagation direction of ultrasonic waves is indicated by an arrow. Note that an ultrasonic absorber 23 is provided on the end surface of the optical crystal 21 that is opposite to the end surface on which the ultrasonic transducer 22 is provided.

光学結晶21の内部には、超音波が伝播することによって屈折率変調が生じる。このような光学結晶21に光を入射させると、ラマン-ナス回析によって入射した光が回析する。回析された光の周波数は、伝播する超音波によるドップラー効果によって、入射した光の周波数ωから超音波の周波数ωだけシフトする。このように、回析光の周波数は、ドップラー効果に基づいてシフトするので、シフトする周波数の正負は、超音波の伝播方向と入射光の入射方向とに応じて定まる。図2は、周波数シフトの方向が正であり、回析光の周波数はω+ωとなる例を示す。 Refractive index modulation occurs inside the optical crystal 21 due to the propagation of ultrasonic waves. When light is made incident on such an optical crystal 21, the incident light is diffracted by Raman-Nath diffraction. The frequency of the diffracted light is shifted from the frequency ω 0 of the incident light by the frequency ω 1 of the ultrasound due to the Doppler effect due to the propagating ultrasound. In this way, the frequency of the diffracted light shifts based on the Doppler effect, so the sign of the shifted frequency is determined depending on the propagation direction of the ultrasonic wave and the direction of incidence of the incident light. FIG. 2 shows an example in which the direction of the frequency shift is positive and the frequency of the diffracted light is ω 01 .

例えば、強い回折光が生じさせるには、超音波による屈折率格子間隔d、光波の波長λ、光波の入射角θi、回折角θo、および回折の次数hがd(sinθi―sinθo)=hλ、h=0、±1、±2、...の関係を満たす必要がある。hが正ならば周波数シフトは正に、hが負ならば周波数シフトは負となり、hが0ならば周波数シフトは生じない。一般にλ、θiは固定され、hが+1または-1のいずれかの回折光を取り出すようにθoが調整されている。 For example, in order to generate strong diffracted light, the refractive index grating spacing d by the ultrasound, the wavelength λ of the light wave, the incident angle θi of the light wave, the diffraction angle θo, and the order of diffraction h are d(sinθi−sinθo)=hλ, h=0, ±1, ±2, . .. .. It is necessary to satisfy the following relationship. If h is positive, the frequency shift will be positive, if h is negative, the frequency shift will be negative, and if h is 0, no frequency shift will occur. Generally, λ and θi are fixed, and θo is adjusted so as to extract diffracted light with h either +1 or -1.

したがって、AOFS20において、シフトする周波数の正負を切り換えるには、例えば、超音波の伝播方向を反対方向に切り換えるか、または、光の入射角度を変更しなければならない。超音波の伝播方向および光の入射角は、電気信号等によって容易に変更できるものではないので、このようなAOFS20を用いた従来のレーザ装置110において、周波数のシフト方向を切り換えることは困難であった。 Therefore, in order to switch the positive or negative of the shifted frequency in the AOFS 20, for example, the propagation direction of the ultrasound must be switched to the opposite direction, or the incident angle of the light must be changed. Since the propagation direction of ultrasonic waves and the incident angle of light cannot be easily changed by electric signals or the like, it is difficult to switch the frequency shift direction in the conventional laser device 110 using such an AOFS 20. Ta.

また、超音波トランスデューサ22には、材料に起因する共振周波数を有するので、共振周波数から大きくずれた周波数の超音波を発生させることができない。また、光学結晶21によって回析される光の回析角は、超音波の周波数に対応する角度となる。回析角が周波数シフト量に応じて変化すると、出力側の光学系との結合損失が発生してしまう。したがって、AOFS20において、シフトする周波数のシフト量を自由に変更することは困難であった。そこで、本実施形態に係るレーザ装置110は、周波数シフタ112として光SSB変調器を用いることにより、容易に周波数のシフト量および/またはシフト方向を切り換え可能とする。このような光SSB変調器について、次に説明する。 Further, since the ultrasonic transducer 22 has a resonant frequency due to its material, it is not possible to generate ultrasonic waves with a frequency that is significantly different from the resonant frequency. Further, the diffraction angle of the light diffracted by the optical crystal 21 is an angle corresponding to the frequency of the ultrasonic wave. If the diffraction angle changes depending on the amount of frequency shift, a coupling loss with the output side optical system will occur. Therefore, in the AOFS 20, it has been difficult to freely change the shift amount of the frequency to be shifted. Therefore, by using an optical SSB modulator as the frequency shifter 112, the laser device 110 according to the present embodiment can easily switch the frequency shift amount and/or shift direction. Such an optical SSB modulator will be explained next.

[光SSB変調器30の構成例]
図3は、本実施形態に係る光SSB変調器30と制御部50の構成例を示す。光SSB変調器30は、基板31、メインマッハツェンダ導波路32、第1サブマッハツェンダ導波路33、第2サブマッハツェンダ導波路34、メインDC電極35、第1サブDC電極36、第2サブDC電極37、第1RF電極38、および第2RF電極39を備える。
[Configuration example of optical SSB modulator 30]
FIG. 3 shows a configuration example of the optical SSB modulator 30 and the control section 50 according to this embodiment. The optical SSB modulator 30 includes a substrate 31 , a main Mach-Zehnder waveguide 32 , a first sub-Mach-Zehnder waveguide 33 , a second sub-Mach-Zehnder waveguide 34 , a main DC electrode 35 , a first sub-DC electrode 36 , and a second sub-DC electrode 37 , a first RF electrode 38, and a second RF electrode 39.

基板31は、少なくとも一部が電気光学結晶で形成されている基板であり、例えば、LiNbO結晶を有する。このような基板31の表面に、導波路および基板が形成されている。メインマッハツェンダ導波路32は、光SSB変調器30に入力する光を2つに分岐し、分岐した光を再び合波してから出力する。メインマッハツェンダ導波路32は、2つに分岐した光をそれぞれ通過させる第1アーム導波路41および第2アーム導波路42を有する。 The substrate 31 is a substrate at least partially made of electro-optic crystal, and includes, for example, LiNbO 3 crystal. A waveguide and a substrate are formed on the surface of such a substrate 31. The main Mach-Zehnder waveguide 32 branches the light input to the optical SSB modulator 30 into two, combines the branched lights again, and then outputs them. The main Mach-Zehnder waveguide 32 has a first arm waveguide 41 and a second arm waveguide 42 that respectively pass the two branched lights.

第1アーム導波路41には、第1サブマッハツェンダ導波路33が設けられている。第1サブマッハツェンダ導波路33は、第1アーム導波路41が通過させる光を2つに分岐し、分岐した光を再び合波してから第1アーム導波路41へと出力する。第1サブマッハツェンダ導波路33は、入力した光をそれぞれ通過させる第1サブアーム導波路43および第2サブアーム導波路44を有する。 The first arm waveguide 41 is provided with a first sub-Mach-Zehnder waveguide 33 . The first sub-Mach-Zehnder waveguide 33 branches the light that the first arm waveguide 41 passes into two, combines the branched lights again, and then outputs the light to the first arm waveguide 41 . The first sub-Mach-Zehnder waveguide 33 includes a first sub-arm waveguide 43 and a second sub-arm waveguide 44 through which input light passes.

第2アーム導波路42には、第2サブマッハツェンダ導波路34が設けられている。第2サブマッハツェンダ導波路34は、第2アーム導波路42が通過させる光を2つに分岐し、分岐した光を再び合波してから第2アーム導波路42へと出力する。第2サブマッハツェンダ導波路34は、入力した光をそれぞれ通過させる第3サブアーム導波路45および第4サブアーム導波路46を有する。 The second arm waveguide 42 is provided with a second sub-Mach-Zehnder waveguide 34 . The second sub-Mach-Zehnder waveguide 34 branches the light that the second arm waveguide 42 passes into two, combines the branched lights again, and then outputs the light to the second arm waveguide 42 . The second sub-Mach-Zehnder waveguide 34 has a third sub-arm waveguide 45 and a fourth sub-arm waveguide 46 through which input light passes.

メインDC電極35は、一例として、メインマッハツェンダ導波路32の第1アーム導波路41および第2アーム導波路42のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。メインDC電極35は、制御部50から直流電圧が供給される。 For example, the main DC electrode 35 is provided at a position approximately the same distance from each of the first arm waveguide 41 and the second arm waveguide 42 of the main Mach-Zehnder waveguide 32. The main DC electrode 35 is supplied with a DC voltage from the control unit 50 .

第1サブDC電極36および第1RF電極38は、一例として、第1サブマッハツェンダ導波路33の第1サブアーム導波路43および第2サブアーム導波路44のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。第1サブDC電極36および第1RF電極38は、別個の電極であってもよく、共通の1つの電極であってもよい。 For example, the first sub-DC electrode 36 and the first RF electrode 38 are provided at positions approximately the same distance away from the first sub-arm waveguide 43 and the second sub-arm waveguide 44 of the first sub-Mach-Zehnder waveguide 33, respectively. It is being The first sub-DC electrode 36 and the first RF electrode 38 may be separate electrodes or may be one common electrode.

同様に、第2サブDC電極37および第2RF電極39は、一例として、第2サブマッハツェンダ導波路34の第3サブアーム導波路45および第4サブアーム導波路46のそれぞれから略同一の距離だけ離れた位置に設けられている。第2サブDC電極37および第2RF電極39は、別個の電極であってもよく、共通の1つの電極であってもよい。 Similarly, the second sub-DC electrode 37 and the second RF electrode 39 are, for example, approximately the same distance away from the third sub-arm waveguide 45 and the fourth sub-arm waveguide 46 of the second sub-Mach-Zehnder waveguide 34. located at the location. The second sub-DC electrode 37 and the second RF electrode 39 may be separate electrodes or may be one common electrode.

第1サブDC電極36および第2サブDC電極37には、制御部50から直流電圧がそれぞれ供給される。第1RF電極38および第2RF電極39には、制御部50からRF信号がそれぞれ供給される。RF信号は、例えば、数GHzから数十GHzの高周波信号である。 A DC voltage is supplied from the control unit 50 to the first sub-DC electrode 36 and the second sub-DC electrode 37, respectively. An RF signal is supplied from the control unit 50 to the first RF electrode 38 and the second RF electrode 39, respectively. The RF signal is, for example, a high frequency signal from several GHz to several tens of GHz.

このように、入力する光を通過させる導波路の近傍に設けられている電極に電圧を加えることにより、導波路の屈折率を変化させる電気光学効果(ポッケルス効果)が発生する。電気光学効果が発生している導波路を通過する光の振幅強度レベルおよび位相には、加えた電圧に対応する変調、オフセット等が生じることになる。このような電気光学効果による屈折率の変化は、電場の印加方向に対応するので、例えば、電極に印加する電圧の正負を変更するだけで、位相の変化方向を切り換えることができる。 In this way, by applying a voltage to the electrodes provided near the waveguide through which input light passes, an electro-optic effect (Pockels effect) that changes the refractive index of the waveguide occurs. Modulation, offset, etc. corresponding to the applied voltage will occur in the amplitude intensity level and phase of the light passing through the waveguide where the electro-optic effect is occurring. Since the change in refractive index due to such an electro-optic effect corresponds to the direction of application of the electric field, the direction of change in phase can be switched, for example, simply by changing the sign of the voltage applied to the electrodes.

制御部50は、光SSB変調器30の複数の電極に直流電圧およびRF信号を供給して、導波路を通過する光の位相を調節する。制御部50は、直流電圧生成部52と、RF信号生成部54とを有する。直流電圧生成部52は、直流電圧を生成してメインDC電極35、第1サブDC電極36、および第2サブDC電極37に供給する。RF信号生成部54は、RF信号を生成して第1RF電極38および第2RF電極39に供給する。 The control unit 50 supplies a DC voltage and an RF signal to the plurality of electrodes of the optical SSB modulator 30 to adjust the phase of light passing through the waveguide. The control section 50 includes a DC voltage generation section 52 and an RF signal generation section 54. The DC voltage generator 52 generates a DC voltage and supplies it to the main DC electrode 35 , the first sub DC electrode 36 , and the second sub DC electrode 37 . The RF signal generation section 54 generates an RF signal and supplies it to the first RF electrode 38 and the second RF electrode 39.

制御部50は、直流電圧生成部52およびRF信号生成部54を制御して、光SSB変調器30に直流電圧およびRF信号を供給し、周波数シフト方向および周波数シフト量を調節する。例えば、制御部50は、光SSB変調器30に入力する光の周波数をRF信号の周波数だけシフトさせる。制御部50は、RF信号の周波数を変更して光SSB変調器30の周波数シフト量を更に設定可能でもよい。 The control unit 50 controls the DC voltage generation unit 52 and the RF signal generation unit 54 to supply a DC voltage and an RF signal to the optical SSB modulator 30, and adjusts the frequency shift direction and frequency shift amount. For example, the control unit 50 shifts the frequency of light input to the optical SSB modulator 30 by the frequency of the RF signal. The control unit 50 may be able to further set the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30 by changing the frequency of the RF signal.

また、制御部50は、メインマッハツェンダ導波路32、第1サブマッハツェンダ導波路33、および第2サブマッハツェンダ導波路34に対応して基板31に設けられているメインDC電極35、第1サブDC電極36、および第2サブDC電極37に、予め定められた値の直流電圧を供給して周波数シフト方向を切り換える。このような光SSB変調器30の周波数シフトおよびシフト方向の切換等については、既知の特許文献2および特許文献3等に記載されているので、ここでは詳細な説明を省略する。 Further, the control unit 50 controls the main DC electrode 35 and the first sub DC electrode provided on the substrate 31 corresponding to the main Mach Zehnder waveguide 32, the first sub Mach Zehnder waveguide 33, and the second sub Mach Zehnder waveguide 34. 36 and the second sub-DC electrode 37, a DC voltage of a predetermined value is supplied to switch the frequency shift direction. Such frequency shifting and switching of the shift direction of the optical SSB modulator 30 are described in known Patent Documents 2 and 3, and detailed explanations thereof will be omitted here.

以上のように、本実施形態に係るレーザ装置110は、図3に示す光SSB変調器30を周波数シフタ112として用いる。そして、制御部50は、光SSB変調器30に供給するRF信号の周波数を設定することで、光SSB変調器30の周波数シフト量を設定可能とする。また、制御部50は、光SSB変調器30に供給する電圧を切り換えることで、光SSB変調器30の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に切り換え可能とする。これにより、レーザ装置110の周波数をシフトさせるシフト量と正負の方向とを容易に設定することができる。このようなレーザ装置110が出力するレーザ光の周波数特性について次に説明する。 As described above, the laser device 110 according to this embodiment uses the optical SSB modulator 30 shown in FIG. 3 as the frequency shifter 112. The control unit 50 can set the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30 by setting the frequency of the RF signal supplied to the optical SSB modulator 30. Further, the control unit 50 can switch the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 to either the positive side or the negative side by switching the voltage supplied to the optical SSB modulator 30. Thereby, the shift amount and positive/negative direction for shifting the frequency of the laser device 110 can be easily set. Next, the frequency characteristics of the laser light outputted by such a laser device 110 will be explained.

図4は、本実施形態に係るレーザ装置110が出力するレーザ光の一例を示す。図4は、時刻tにおいてレーザ装置110が出力するレーザ光の光スペクトルを左側に示す。当該光スペクトルにおいては、横軸が光強度、縦軸が光の周波数を示す。また、光スペクトルの複数の縦モードを番号qで示す。複数の縦モードの周波数は、略一定の周波数間隔で並ぶ。ここで、光が共振器を1周する時間をτRT(=1/ν)とすると、複数の縦モードは、次式のように1/τRT(=ν)間隔で並ぶことになる。なお、νは、時刻tにおける光スペクトルの初期周波数とする。

Figure 2023171464000002
FIG. 4 shows an example of laser light output by the laser device 110 according to this embodiment. FIG. 4 shows the optical spectrum of the laser beam output by the laser device 110 at time t 0 on the left side. In the optical spectrum, the horizontal axis represents the light intensity, and the vertical axis represents the frequency of the light. Further, a plurality of longitudinal modes of the optical spectrum are indicated by a number q. The frequencies of the plurality of longitudinal modes are arranged at substantially constant frequency intervals. Here, if the time for light to go around the resonator once is τ RT (=1/ν C ), then the multiple longitudinal modes are arranged at intervals of 1/τ RT (=ν C ) as shown in the following equation. Become. Note that ν 0 is the initial frequency of the optical spectrum at time t 0 .
Figure 2023171464000002

図4は、レーザ装置110が出力する複数の縦モードの時間経過にともなう周波数の変化を右側に示す。図4の右側においては、横軸が時間、縦軸が周波数を示す。即ち、図4は、レーザ装置110が出力するレーザ光の周波数の時間的な変化を右側に示し、当該レーザ光の時刻tにおける瞬時周波数を左側に示したものである。 FIG. 4 shows, on the right side, changes in frequency over time of a plurality of longitudinal modes output by the laser device 110. On the right side of FIG. 4, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents frequency. That is, in FIG. 4, the right side shows temporal changes in the frequency of the laser beam output by the laser device 110, and the left side shows the instantaneous frequency of the laser beam at time t0 .

レーザ装置110は、一例として、周波数シフタ112のシフト量が+νに設定され、共振器内の光が共振器を1周する毎に、周波数シフタ112が周回する光の周波数を+νだけ増加させる。即ち、時間がτRT経過する毎に、各モードの周波数はνだけ増加するので、周波数の時間変化dν/dtは、ν/τRTと略等しくなる。したがって、(数1)式で示した複数の縦モードは、時間tの経過に伴って、次式のように変化する。

Figure 2023171464000003
For example, in the laser device 110, the shift amount of the frequency shifter 112 is set to +ν s , and each time the light inside the resonator goes around the resonator once, the frequency shifter 112 increases the frequency of the circulating light by +ν s . let That is, each time τ RT elapses, the frequency of each mode increases by ν s , so the time change in frequency dν/dt becomes approximately equal to ν sRT . Therefore, the plurality of longitudinal modes expressed by equation (1) change as shown in the following equation as time t passes.
Figure 2023171464000003

なお、(数2)式は、周波数のシフト方向をプラス方向(正の方向)とした場合の式である。図4の右側において、周波数のシフト方向をプラス方向とした場合のレーザ光の周波数の時間的な変化の例を時刻tからtの間の期間に示す。これに代えて、周波数のシフト方向をマイナス方向(負の方向)とした場合は、(数2)式の第2項であるν・t/τRTの符号がマイナスとなる。図4の右側において、周波数のシフト方向をマイナス方向とした場合のレーザ光の周波数の時間的な変化の例を時刻tからtの間の期間に示す。 Note that Equation (2) is an equation when the frequency shift direction is set to the plus direction (positive direction). On the right side of FIG. 4, an example of a temporal change in the frequency of the laser beam when the frequency shift direction is set in the positive direction is shown in the period between time t 0 and t 1 . Alternatively, if the frequency shift direction is set to the minus direction (negative direction), the sign of ν s ·t/τ RT , which is the second term in equation (2), becomes negative. On the right side of FIG. 4, an example of a temporal change in the frequency of the laser light when the frequency shift direction is set in the negative direction is shown in the period between time t2 and t3 .

以上のように、光SSB変調器30を周波数シフタ112として用いたレーザ装置110は、周波数のシフト方向を正方向および負方向のいずれかに切り換えることができる。また、レーザ装置110は、周波数のシフト量を容易に変更できる。そして、光SSB変調器30は、このような周波数のシフト量およびシフト方向の変更を、出力角の変更なしに実行できる。即ち、レーザ装置110は、光出力をほとんど変化させることなく、周波数のシフト量およびシフト方向を容易に変更できる。このようなレーザ装置110を光学式の距離計等に用いると、距離測定の精度を向上させること、機能を改善できること等を容易に実現できる。そこで、本実施形態に係るレーザ装置110を備える光学式距離計について、次に説明する。 As described above, the laser device 110 using the optical SSB modulator 30 as the frequency shifter 112 can switch the frequency shift direction to either the positive direction or the negative direction. Further, the laser device 110 can easily change the frequency shift amount. The optical SSB modulator 30 can change the frequency shift amount and shift direction without changing the output angle. That is, the laser device 110 can easily change the frequency shift amount and shift direction without substantially changing the optical output. When such a laser device 110 is used in an optical distance meter or the like, it is possible to easily improve the accuracy of distance measurement and improve the function. Therefore, an optical rangefinder including the laser device 110 according to this embodiment will be described next.

[測定装置100の構成例]
図5は、本実施形態に係る測定装置100の構成例を計測対象物10と共に示す。測定装置100は、当該測定装置100および計測対象物10の間の距離を光学的に測定する。また、測定装置100は、計測対象物10に照射するレーザ光の位置を走査して、計測対象物10の三次元的な形状を計測してもよい。測定装置100は、制御部50と、レーザ装置110と、分岐部120と、光サーキュレータ130と、光ヘッド部140と、ビート信号発生部150と、検出部160と、表示部170を備える。
[Configuration example of measuring device 100]
FIG. 5 shows a configuration example of the measuring device 100 according to the present embodiment together with the measurement target 10. As shown in FIG. The measuring device 100 optically measures the distance between the measuring device 100 and the object to be measured 10 . Furthermore, the measuring device 100 may measure the three-dimensional shape of the measurement object 10 by scanning the position of the laser beam irradiated onto the measurement object 10. The measurement device 100 includes a control section 50, a laser device 110, a branching section 120, an optical circulator 130, an optical head section 140, a beat signal generation section 150, a detection section 160, and a display section 170.

制御部50は、レーザ装置110を制御するための直流電圧およびRF信号を供給する。レーザ装置110は、光SSB変調器30を有する周波数シフト帰還レーザである。制御部50およびレーザ装置110については、既に説明したのでここでは説明を省略する。 The control unit 50 supplies a DC voltage and an RF signal for controlling the laser device 110. Laser device 110 is a frequency-shifted feedback laser with optical SSB modulator 30 . Since the control unit 50 and the laser device 110 have already been explained, their explanation will be omitted here.

分岐部120は、レーザ装置110が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。分岐部120は、一例として、光ファイバ型の光カプラである。図5の例において、分岐部120は、測定光を光サーキュレータ130に供給し、参照光をビート信号発生部150に供給する。 The branching unit 120 branches a part of the frequency modulated laser beam outputted by the laser device 110 into a reference light, and branches at least a part of the remaining part into a measurement light. The branching section 120 is, for example, an optical fiber type optical coupler. In the example of FIG. 5, the branching section 120 supplies the measurement light to the optical circulator 130 and the reference light to the beat signal generation section 150.

光サーキュレータ130は、複数の入出力ポートを有する。光サーキュレータ130は、例えば、一のポートに入力した光を次のポートから出力させ、当該次のポートから入力する光を更に次のポートから出力させる。図5は、光サーキュレータ130が3つの入出力ポートを有する例を示す。この場合、光サーキュレータ130は、分岐部120から供給される測定光を光ヘッド部140に出力する。また、光サーキュレータ130は、光ヘッド部140から入力する光をビート信号発生部150へと出力する。 Optical circulator 130 has multiple input/output ports. For example, the optical circulator 130 causes light input to one port to be output from the next port, and light input from the next port to be output from the next port. FIG. 5 shows an example in which the optical circulator 130 has three input/output ports. In this case, the optical circulator 130 outputs the measurement light supplied from the branching section 120 to the optical head section 140. Further, the optical circulator 130 outputs the light input from the optical head section 140 to the beat signal generating section 150.

光ヘッド部140は、光サーキュレータ130から入力する光を計測対象物10に向けて照射する。光ヘッド部140は、一例として、コリメータレンズを有する。この場合、光ヘッド部140は、光ファイバを介して光サーキュレータ130から入力する光をコリメータレンズでビーム状に調節してから出力する。 The optical head unit 140 irradiates the measurement target object 10 with light input from the optical circulator 130 . The optical head section 140 includes, for example, a collimator lens. In this case, the optical head unit 140 adjusts the light input from the optical circulator 130 via the optical fiber into a beam using a collimator lens, and then outputs the beam.

また、光ヘッド部140は、計測対象物10に照射した測定光の反射光を受光する。光ヘッド部140は、受光した反射光をコリメータレンズで光ファイバに集光して光サーキュレータ130に供給する。この場合、光ヘッド部140は、共通の1つのコリメータレンズを有し、当該コリメータレンズで、測定光を計測対象物10に照射し、また、計測対象物10からの反射光を受光してよい。なお、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離をdとする。 Further, the optical head section 140 receives reflected light of the measurement light irradiated onto the measurement target object 10. The optical head section 140 condenses the received reflected light onto an optical fiber using a collimator lens, and supplies it to the optical circulator 130 . In this case, the optical head section 140 has one common collimator lens, and the collimator lens may irradiate measurement light onto the measurement object 10 and receive reflected light from the measurement object 10. . Note that the distance between the optical head section 140 and the measurement target object 10 is assumed to be d.

これに代えて、光ヘッド部140は、集光レンズを有してもよい。この場合、光ヘッド部140は、光ファイバを介して光サーキュレータ130から入力する光を計測対象物10の表面に集光する。そして、光ヘッド部140は、計測対象物10の表面で反射した反射光の少なくとも一部を受光する。光ヘッド部140は、受光した反射光を集光レンズで光ファイバに集光して光サーキュレータ130に供給する。この場合においても、光ヘッド部140は、共通の1つの集光レンズを有し、当該集光レンズで、測定光を計測対象物10に照射し、また、計測対象物10からの反射光を受光してよい。 Alternatively, the optical head section 140 may include a condenser lens. In this case, the optical head section 140 focuses the light input from the optical circulator 130 via the optical fiber onto the surface of the measurement target object 10. The optical head section 140 receives at least a portion of the reflected light reflected from the surface of the measurement target object 10. The optical head section 140 condenses the received reflected light onto an optical fiber using a condensing lens and supplies it to the optical circulator 130 . In this case as well, the optical head section 140 has one common condensing lens, which irradiates the measuring object 10 with measurement light and also collects the reflected light from the measuring object 10. May receive light.

ビート信号発生部150は、測定光を計測対象物10に照射して反射された反射光を光サーキュレータ130から受けとる。また、ビート信号発生部150は、分岐部120から参照光を受けとる。ビート信号発生部150は、反射光および参照光を混合してビート信号を発生させる。ビート信号発生部150は、例えば、光電変換素子を有し、ビート信号を電気信号に変換して出力する。 The beat signal generating section 150 irradiates the measurement object 10 with measurement light and receives the reflected light from the optical circulator 130 . Furthermore, the beat signal generating section 150 receives the reference light from the branching section 120. The beat signal generator 150 mixes the reflected light and the reference light to generate a beat signal. The beat signal generating section 150 includes, for example, a photoelectric conversion element, converts a beat signal into an electrical signal, and outputs the electrical signal.

ここで、反射光は、光ヘッド部140から計測対象物10までの距離を往復しているので、参照光と比較して少なくとも距離2dに応じた伝搬距離の差が生じることになる。レーザ装置110が出力する光は、時間の経過とともに発振周波数が線形に変化するので、参照光および反射光の発振周波数は、当該伝搬距離の差に対応する伝搬遅延に応じた周波数差が生じる。ビート信号発生部150は、このような周波数差に対応するビート信号を発生させる。 Here, since the reflected light travels back and forth over the distance from the optical head section 140 to the measurement target object 10, a difference in propagation distance will occur compared to the reference light at least according to the distance 2d. Since the oscillation frequency of the light output from the laser device 110 changes linearly over time, a frequency difference occurs between the oscillation frequencies of the reference light and the reflected light in accordance with the propagation delay corresponding to the difference in propagation distance. The beat signal generating section 150 generates a beat signal corresponding to such a frequency difference.

検出部160は、ビート信号発生部150が発生させたビート信号を周波数解析して、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。検出部160の周波数解析については後述する。 The detection unit 160 analyzes the frequency of the beat signal generated by the beat signal generation unit 150 and detects a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light. Frequency analysis by the detection unit 160 will be described later.

表示部170は、検出部160の解析結果を表示する。表示部170は、ディスプレイ等を有し、検出結果を表示してよい。また、表示部170は、記憶部等に解析結果を記憶させてもよい。 The display section 170 displays the analysis results of the detection section 160. The display unit 170 may include a display or the like and display the detection results. Further, the display unit 170 may store the analysis results in a storage unit or the like.

以上の測定装置100は、計測対象物10に照射した測定光の反射光と、参照光との間の周波数差を解析することにより、測定装置100および計測対象物10の間の距離を測定可能とする。即ち、測定装置100は、非接触および非破壊の光学式距離計を構成できる。 The above measurement device 100 can measure the distance between the measurement device 100 and the measurement object 10 by analyzing the frequency difference between the reflected light of the measurement light irradiated on the measurement object 10 and the reference light. shall be. That is, the measuring device 100 can constitute a non-contact and non-destructive optical distance meter.

[距離測定処理の詳細]
本実施形態に係る測定装置100は、(数2)式で示すような周波数成分を出力するレーザ装置110を用いて、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離dを測定する。ここで、参照光および反射光の間の光路差が、距離dを往復した距離2dだけであり、距離2dに対応する伝搬遅延をΔtとする。即ち、時刻tにおいて、測定光が計測対象物10から反射して戻ってきた場合、戻ってきた反射光は、時刻tよりも時間Δtだけ過去の周波数と略一致するので、次式で示すことができる。

Figure 2023171464000004
[Details of distance measurement processing]
The measuring device 100 according to the present embodiment measures the distance d between the optical head section 140 and the measurement target 10 using the laser device 110 that outputs a frequency component as shown in equation (2). Here, the optical path difference between the reference light and the reflected light is only a distance 2d traveling back and forth over the distance d, and the propagation delay corresponding to the distance 2d is assumed to be Δt. That is, when the measurement light is reflected from the measurement target 10 and returned at time t, the returned reflected light approximately matches the frequency of the past by time Δt than time t, so it can be expressed by the following equation. Can be done.
Figure 2023171464000004

一方、時刻tにおける参照光は、(数2)式と同様に次式で示すことができる。ここで、参照光をνq’(t)とした。

Figure 2023171464000005
On the other hand, the reference light at time t can be expressed by the following equation, similar to equation (2). Here, the reference light is ν q' (t).
Figure 2023171464000005

ビート信号発生部150は、このような反射光および参照光を重畳させるので、(数3)式の複数の縦モードと(数4)式で示す複数の縦モードとの間の複数のビート信号が発生することになる。このようなビート信号の周波数をν(m,d)とすると、ν(m,d)は、(数3)式および(数4)式より次式で示すことができる。なお、mを縦モード番号の間隔(=q-q’)とし、Δt=2d/cとした。

Figure 2023171464000006
Since the beat signal generator 150 superimposes such reflected light and reference light, it generates a plurality of beat signals between the plurality of longitudinal modes expressed by Equation (3) and the plurality of longitudinal modes expressed by Equation (4). will occur. Letting the frequency of such a beat signal be ν B (m, d), ν B (m, d) can be expressed by the following equation from equations (3) and (4). Note that m is the interval between longitudinal mode numbers (=q-q'), and Δt=2d/c.
Figure 2023171464000006

(数5)式より、距離dは、次式のように示される。ここで、1/τRT=νとした。

Figure 2023171464000007
From the equation (5), the distance d is expressed as the following equation. Here, 1/τ RTc .
Figure 2023171464000007

(数6)式より、縦モード番号の間隔mを判別すれば、ビート信号の周波数観測結果から距離dを算出できることがわかる。なお、間隔mは、ビート信号の次数mと呼ばれ、レーザ装置110の周波数シフト量νを変化させた場合のビート信号の変化を検出することで、判別することができる。このような次数mの判別方法は、特許文献1等に記載されているように既知であるから、ここでは詳細な説明を省略する。 From equation (6), it can be seen that the distance d can be calculated from the frequency observation result of the beat signal by determining the interval m of the longitudinal mode numbers. Note that the interval m is called the order m of the beat signal, and can be determined by detecting a change in the beat signal when the frequency shift amount ν s of the laser device 110 is changed. Since such a method for determining the order m is known as described in Patent Document 1 and the like, detailed explanation will be omitted here.

観測されるビート信号は常に正の周波数であるから、計算上、負の周波数側に発生するビート信号は、正側に折り返され、イメージ信号として観測される。このようなイメージ信号の発生について、次に説明する。 Since the observed beat signal always has a positive frequency, the beat signal that occurs on the negative frequency side is calculated to be folded back to the positive side and is observed as an image signal. Generation of such an image signal will be explained next.

図6は、本実施形態に係る測定装置100が検出するビート信号の周波数と、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離dとの関係の一例を示す。図6の横軸は距離dを示し、縦軸はビート信号の周波数ν(m,d)を示す。図6の実線で示す複数の直線は、(数5)式に示したように、距離dに対するビート信号の周波数ν(m,d)の関係を、複数の次数m毎に示したグラフである。 FIG. 6 shows an example of the relationship between the frequency of the beat signal detected by the measuring device 100 according to this embodiment and the distance d between the optical head section 140 and the measurement target object 10. The horizontal axis in FIG. 6 indicates the distance d, and the vertical axis indicates the frequency ν B (m, d) of the beat signal. The plurality of straight lines shown by the solid lines in FIG. 6 are graphs showing the relationship between the frequency ν B (m, d) of the beat signal and the distance d for each of the plurality of orders m, as shown in equation (5). be.

図6のように、mの値に応じた複数のビート信号が発生する。しかしながら、反射光および参照光のそれぞれに含まれる複数の縦モードは、略一定の周波数間隔νで並ぶので、mの値が等しい複数のビート信号は周波数軸上では略同一の周波数に重畳されることになる。例えば、周波数0からνの間の周波数帯域を観測した場合、複数のビート信号は略同一の周波数に重畳されて、1本の線スペクトルとして観測される。 As shown in FIG. 6, a plurality of beat signals are generated depending on the value of m. However, since the plurality of longitudinal modes contained in each of the reflected light and the reference light are arranged at a substantially constant frequency interval ν c , the plurality of beat signals with the same value of m are superimposed at substantially the same frequency on the frequency axis. That will happen. For example, when observing a frequency band between frequencies 0 and νc , a plurality of beat signals are superimposed on substantially the same frequency and are observed as a single line spectrum.

これに加えて、0よりも小さい負の領域のビート信号の周波数ν(m,d)は、周波数の絶対値がイメージ信号として更に観測される。即ち、図6の縦軸が0よりも小さい領域のグラフは、周波数0を境界として折り返される。図6は、折り返されたイメージ信号を、複数の点線で示す。折り返された複数のイメージ信号は、正負が反転するだけなので、観測される周波数軸上では折り返される前の周波数の絶対値と同一の周波数に重畳される。例えば、周波数0からνの間の周波数帯域を観測した場合、このようなビート信号およびイメージ信号は、周波数がそれぞれν/2にならない限り、それぞれ異なる周波数に位置する。 In addition to this, the absolute value of the frequency ν B (m, d) of the beat signal in the negative region smaller than 0 is further observed as an image signal. That is, the graph in the area where the vertical axis of FIG. 6 is smaller than 0 is folded back with frequency 0 as the boundary. FIG. 6 shows folded image signals with a plurality of dotted lines. Since the folded image signals are simply reversed in polarity, they are superimposed on the observed frequency axis at the same frequency as the absolute value of the frequency before folding. For example, when observing a frequency band between frequencies 0 and ν c , such beat signals and image signals are located at different frequencies unless their respective frequencies are ν c /2.

このように、周波数0からνの間の観測帯域においては、ビート信号ν(m,d)と、ビート信号ν(m,d)とはmの値が異なるイメージ信号ν(m’,d)の2本の線スペクトルが発生する。ここで、一例として、m’=m+1である。この場合、ビート信号発生部150が直交検波を用いることで、このようなイメージ信号をキャンセルできる。そこで直交検波を用いたビート信号発生部150および検出部160について、次に説明する。 In this way, in the observation band between frequencies 0 and ν C , the beat signal ν B (m, d) and the image signal ν B (m, d) have different values of m. ', d) two line spectra are generated. Here, as an example, m'=m+1. In this case, such an image signal can be canceled by the beat signal generating section 150 using quadrature detection. Therefore, the beat signal generating section 150 and the detecting section 160 using orthogonal detection will be explained next.

[ビート信号発生部150および検出部160の構成例]
図7は、本実施形態に係るビート信号発生部150および検出部160の構成例を示す。ビート信号発生部150は、反射光および参照光を直交検波する。ビート信号発生部150は、光90度ハイブリッド152と、2つの光電変換部154とを有する。
[Configuration example of beat signal generation section 150 and detection section 160]
FIG. 7 shows a configuration example of the beat signal generation section 150 and the detection section 160 according to this embodiment. The beat signal generator 150 orthogonally detects the reflected light and the reference light. The beat signal generation section 150 includes an optical 90-degree hybrid 152 and two photoelectric conversion sections 154.

光90度ハイブリッド152は、入力する反射光および参照光をそれぞれ2つに分岐する。光90度ハイブリッド152は、分岐した一方の反射光と、分岐した一方の参照光とを光カプラ等で合波して第1ビート信号を発生させる。また、光90度ハイブリッド152は、分岐した他方の反射光と、分岐した他方の参照光とを光カプラ等で合波して第2ビート信号を発生させる。ここで、光90度ハイブリッド152は、分岐した2つの参照光の間に90度の位相差を生じさせてから、ビート信号を発生させる。光90度ハイブリッド152は、例えば、分岐した2つの参照光のうちいずれか一方に、π/2波長板を介してから反射光とそれぞれ合波させる。 The optical 90-degree hybrid 152 branches each input reflected light and reference light into two. The optical 90-degree hybrid 152 generates a first beat signal by combining one of the branched reflected lights and one of the branched reference lights using an optical coupler or the like. Further, the optical 90-degree hybrid 152 generates a second beat signal by combining the other branched reflected light and the other branched reference light using an optical coupler or the like. Here, the optical 90-degree hybrid 152 generates a beat signal after creating a 90-degree phase difference between the two branched reference lights. For example, the optical 90-degree hybrid 152 combines one of the two branched reference lights with the reflected light after passing through a π/2 wavelength plate.

光電変換部154は、合波した反射光および参照光を受光して電気信号に変換する。光電変換部154は、フォトダイオード等でよい。光電変換部154は、一例として、バランス型フォトダイオードである。図7において、2つの光電変換部154のうち一方の光電変換部154が第1ビート信号を発生させ、他方の光電変換部154が第2ビート信号を発生させるものとする。以上のように、ビート信号発生部150は、位相を90度異ならせた2つの参照光と反射光とをそれぞれ合波させて直交検波し、2つのビート信号を検出部160に出力する。 The photoelectric conversion unit 154 receives the combined reflected light and reference light and converts them into electrical signals. The photoelectric conversion unit 154 may be a photodiode or the like. The photoelectric conversion unit 154 is, for example, a balanced photodiode. In FIG. 7, it is assumed that one of the two photoelectric conversion units 154 generates a first beat signal, and the other photoelectric conversion unit 154 generates a second beat signal. As described above, the beat signal generating section 150 multiplexes the two reference lights and the reflected light whose phases are different by 90 degrees, performs orthogonal detection, and outputs two beat signals to the detecting section 160.

検出部160は、2つのビート信号を周波数解析する。ここでは、検出部160が、第1ビート信号をI信号とし、第2ビート信号をQ信号として周波数解析する例を説明する。検出部160は、第1フィルタ部162、第2フィルタ部164、第1AD変換部202、第2AD変換部204、クロック信号供給部210、および周波数解析部220を有する。 The detection unit 160 performs frequency analysis on the two beat signals. Here, an example will be described in which the detection unit 160 performs frequency analysis using the first beat signal as the I signal and the second beat signal as the Q signal. The detection section 160 includes a first filter section 162, a second filter section 164, a first AD conversion section 202, a second AD conversion section 204, a clock signal supply section 210, and a frequency analysis section 220.

第1フィルタ部162および第2フィルタ部164は、ユーザ等が周波数解析したい周波数帯域とは異なる周波数帯域の信号成分を低減させる。ここで、ユーザ等が周波数解析したい周波数帯域を0からνとする。第1フィルタ部162および第2フィルタ部164は、例えば、周波数ν以下の信号成分を通過させるローパスフィルタである。この場合、第1フィルタ部162は、周波数νよりも高い周波数の信号成分を低減させた第1ビート信号を第1AD変換部202に供給する。また、第2フィルタ部164は、周波数νよりも高い周波数の信号成分を低減させた第2ビート信号を第2AD変換部204に供給する。 The first filter section 162 and the second filter section 164 reduce signal components in a frequency band different from the frequency band that the user or the like desires to perform frequency analysis. Here, it is assumed that the frequency band that the user or the like desires to perform frequency analysis is from 0 to νc . The first filter section 162 and the second filter section 164 are, for example, low-pass filters that pass signal components having a frequency ν c or lower. In this case, the first filter section 162 supplies the first AD conversion section 202 with a first beat signal in which signal components of frequencies higher than the frequency ν c are reduced. Furthermore, the second filter section 164 supplies the second AD conversion section 204 with a second beat signal in which signal components of frequencies higher than the frequency ν c are reduced.

第1AD変換部202および第2AD変換部204は、入力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。例えば、第1AD変換部202は第1ビート信号をデジタル信号に変換し、第2AD変換部204は第2ビート信号をデジタル信号に変換する。クロック信号供給部210は、第1AD変換部202および第2AD変換部204にクロック信号を供給する。これにより、第1AD変換部202および第2AD変換部204は、受け取ったクロック信号の周波数と略同一のサンプリングレートでアナログ信号をデジタル信号に変換する。 The first AD converter 202 and the second AD converter 204 convert input analog signals into digital signals. For example, the first AD converter 202 converts the first beat signal into a digital signal, and the second AD converter 204 converts the second beat signal into a digital signal. The clock signal supply section 210 supplies a clock signal to the first AD conversion section 202 and the second AD conversion section 204. Thereby, the first AD converter 202 and the second AD converter 204 convert the analog signal into a digital signal at a sampling rate that is substantially the same as the frequency of the received clock signal.

ここで、観測帯域を0からνとすると、ビート信号の周波数は、最大でもレーザ共振器の共振周波数νである。したがって、クロック信号供給部210が、レーザ共振器の共振周波数νの2倍以上の周波数のクロック信号を第1AD変換部202および第2AD変換部204に供給することで、ビート信号を観測することができる。ここで、共振周波数νの2倍以上の周波数をサンプリング周波数とする。このように、検出部160は、ビート信号をサンプリング周波数でサンプリングして生成した第1ビート信号および第2ビート信号を第1サンプリングデータとして周波数解析する。 Here, if the observation band is from 0 to ν c , the frequency of the beat signal is at most the resonant frequency ν c of the laser resonator. Therefore, the clock signal supply section 210 supplies the first AD conversion section 202 and the second AD conversion section 204 with a clock signal having a frequency that is twice or more the resonance frequency ν c of the laser resonator, thereby observing the beat signal. Can be done. Here, a frequency that is twice or more the resonance frequency ν c is defined as a sampling frequency. In this manner, the detection unit 160 performs frequency analysis on the first beat signal and second beat signal generated by sampling the beat signal at the sampling frequency, using the first beat signal and the second beat signal as first sampling data.

周波数解析部220は、第1ビート信号および第2ビート信号を周波数データに変換する。周波数解析部220は、一例として、第1ビート信号および第2ビート信号をそれぞれデジタルフーリエ変換(DFT)する。周波数解析部220は、周波数データに変換した第1ビート信号を実部、周波数データに変換した第2ビート信号を虚部として加算し、イメージ信号を相殺する。以上の検出部160の動作は、例えば、制御部50によって制御される。 The frequency analysis section 220 converts the first beat signal and the second beat signal into frequency data. For example, the frequency analysis unit 220 performs digital Fourier transform (DFT) on each of the first beat signal and the second beat signal. The frequency analysis unit 220 adds the first beat signal converted into frequency data as a real part and the second beat signal converted into frequency data as an imaginary part, thereby canceling out the image signal. The above operation of the detection section 160 is controlled by the control section 50, for example.

このような制御部50および検出部160の少なくとも一部は、例えば、集積回路等で構成されている。この場合、ビート信号がデジタル信号に変換された後の検出部160の一部の構成が、集積回路等で構成されている。例えば、制御部50と検出部160とは、FPGA(Field Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、および/またはCPU(Central Processing Unit)を含む。 At least a portion of the control section 50 and the detection section 160 are configured of, for example, an integrated circuit or the like. In this case, a portion of the detection unit 160 after the beat signal is converted into a digital signal is configured with an integrated circuit or the like. For example, the control unit 50 and the detection unit 160 include an FPGA (Field Programmable Gate Array), a DSP (Digital Signal Processor), and/or a CPU (Central Processing Unit).

制御部50および検出部160の少なくとも一部をコンピュータ等で構成する場合、当該制御部50および検出部160は、記憶部を含む。記憶部は、一例として、制御部50および周波数解析部220を実現するコンピュータ等のBIOS(Basic Input Output System)等を格納するROM(Read Only Memory)、および作業領域となるRAM(Random Access Memory)を含む。また、記憶部は、OS(Operating System)、アプリケーションプログラム、および/または当該アプリケーションプログラムの実行時に参照されるデータベースを含む種々の情報を格納してよい。即ち、記憶部は、HDD(Hard Disk Drive)および/またはSSD(Solid State Drive)等の大容量記憶装置を含んでよい。 When at least a portion of the control section 50 and the detection section 160 are configured by a computer or the like, the control section 50 and the detection section 160 include a storage section. The storage unit includes, for example, a ROM (Read Only Memory) that stores the BIOS (Basic Input Output System) of a computer etc. that implements the control unit 50 and the frequency analysis unit 220, and a RAM (Random Access Memory) that serves as a work area. including. Further, the storage unit may store various information including an OS (Operating System), an application program, and/or a database referenced when the application program is executed. That is, the storage unit may include a mass storage device such as an HDD (Hard Disk Drive) and/or an SSD (Solid State Drive).

コンピュータ等は、CPU等のプロセッサを含み、記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって制御部50および周波数解析部220として機能する。コンピュータ等は、GPU(Graphics Processing Unit)等を含んでもよい。 A computer or the like includes a processor such as a CPU, and functions as the control section 50 and the frequency analysis section 220 by executing a program stored in a storage section. The computer or the like may include a GPU (Graphics Processing Unit) or the like.

[直交検波の概略]
図8は、本実施形態に係るビート信号発生部150および検出部160の直交検波の概略の一例を示す。図8の横軸はビート信号の周波数、縦軸は信号強度を示す。図8は、I信号およびQ信号のいずれか一方の周波数スペクトルを示す。I信号およびQ信号のいずれの周波数スペクトルも、図8の上側に示すように、略同一のスペクトル形状となる。I信号およびQ信号は、例えば、周波数0からνの間の周波数帯域に、ビート信号ν(m,d)およびイメージ信号ν(m+1,d)が観測される。この場合、I信号およびQ信号には、負側の周波数0から-νの間の周波数帯域に、ビート信号-ν(m,d)およびイメージ信号の元のビート信号-ν(m+1,d)が存在する。
[Outline of orthogonal detection]
FIG. 8 schematically shows an example of quadrature detection by the beat signal generation section 150 and the detection section 160 according to the present embodiment. In FIG. 8, the horizontal axis shows the frequency of the beat signal, and the vertical axis shows the signal strength. FIG. 8 shows the frequency spectrum of either the I signal or the Q signal. The frequency spectra of both the I signal and the Q signal have substantially the same spectral shape, as shown in the upper part of FIG. As for the I signal and the Q signal, for example, a beat signal ν B (m, d) and an image signal ν B (m+1, d) are observed in a frequency band between frequency 0 and ν c . In this case, the I signal and the Q signal include the beat signal -ν B (m, d ) and the original beat signal of the image signal -ν B (m+1 , d) exists.

ここで、I信号およびQ信号は、ビート信号発生部150が直交検波した信号成分なので、スペクトル形状が同一であっても、異なる位相情報を含む。例えば、正側の周波数0からνの間の周波数帯域において、I信号およびQ信号のイメージ信号ν(m+1,d)は、互いに位相が反転する。同様に、負側の周波数0から-νの間の周波数帯域において、I信号およびQ信号のビート信号-ν(m,d)は、互いに位相が反転する。 Here, since the I signal and the Q signal are signal components orthogonally detected by the beat signal generating section 150, they contain different phase information even if their spectrum shapes are the same. For example, in the frequency band between frequencies 0 and ν c on the positive side, the image signals ν B (m+1, d) of the I signal and the Q signal have mutually inverted phases. Similarly, in the frequency band from frequency 0 to -v c on the negative side, the beat signals -v B (m, d) of the I signal and the Q signal are inverted in phase.

したがって、図8の下側に示すように、周波数解析部220がI信号およびQ信号を用いてI+jQを算出すると、周波数0からνの間の周波数帯域において、周波数ν(m,d)のビート信号は強め合い、周波数ν(m+1,d)のイメージ信号は相殺される。同様に、周波数0から-νの間の周波数帯域において、周波数-ν(m+1,d)の2つのビート信号は強め合い、周波数-ν(m,d)の2つのビート信号は相殺される。 Therefore, as shown in the lower part of FIG. 8, when the frequency analysis unit 220 calculates I+jQ using the I signal and the Q signal, the frequency ν B (m, d) in the frequency band from frequency 0 to ν c The beat signals of ν B (m+1, d) are reinforced, and the image signal of frequency ν B (m+1, d) is canceled out. Similarly, in the frequency band between frequency 0 and -ν c , two beat signals with frequency -ν B (m+1, d) strengthen each other, and two beat signals with frequency -ν B (m, d) cancel each other out. be done.

このような周波数解析部220の周波数解析結果により、周波数0からνの間の周波数帯域には1つのビート信号が周波数ν(m,d)に観測されることになる。測定装置100は、このようにして、イメージ信号をキャンセルできるので、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離dを測定できる。 According to the frequency analysis result of the frequency analysis unit 220, one beat signal is observed at frequency ν B (m, d) in the frequency band between frequencies 0 and ν c . Since the measuring device 100 can cancel the image signal in this way, it can measure the distance d between the optical head section 140 and the measurement target object 10.

以上のように、本実施形態に係る測定装置100によれば、当該測定装置100および計測対象物10の間の距離dを非破壊、非接触で測定することができる。このような非接触で計測対象物10までの距離dを測定する測定装置100は、計測対象物10とは別個独立に配置されていることが多い。したがって、測定装置100および計測対象物10の少なくとも一方が振動または移動している場合、測定装置100および計測対象物10の間には相対速度が発生することになる。このような相対速度は、測定装置100の測定結果に誤差として影響を与えることがある。 As described above, according to the measuring device 100 according to the present embodiment, the distance d between the measuring device 100 and the object to be measured 10 can be measured in a non-destructive and non-contact manner. The measuring device 100 that measures the distance d to the measurement target 10 in a non-contact manner is often arranged separately and independently from the measurement target 10. Therefore, when at least one of the measuring device 100 and the measuring object 10 is vibrating or moving, a relative velocity will occur between the measuring device 100 and the measuring object 10. Such relative speed may affect the measurement results of the measuring device 100 as errors.

例えば、測定装置100の測定光の光軸方向と平行な方向の相対速度の成分が有限の値を有する場合、計測対象物10からの反射光には、ドップラー効果によって、相対速度の成分に応じた周波数シフトが発生する。反射光の周波数シフトは、ビート信号発生部150が発生させるビート信号の周波数を変動させてしまうので、測定装置100の測定結果に誤差が生じることになる。 For example, if the relative velocity component of the measurement light of the measuring device 100 in the direction parallel to the optical axis direction has a finite value, the reflected light from the measurement target 10 will have a certain value depending on the relative velocity component due to the Doppler effect. A frequency shift occurs. The frequency shift of the reflected light changes the frequency of the beat signal generated by the beat signal generating section 150, which causes an error in the measurement results of the measuring device 100.

そこで、本実施形態に係る測定装置100は、レーザ装置110の周波数シフト方向を変更し、シフト方向を変更した前後のビート信号を周波数解析することにより、このようなドップラー効果に基づく誤差を低減させる。このような測定装置100の測定動作について次に説明する。 Therefore, the measuring device 100 according to the present embodiment changes the frequency shift direction of the laser device 110 and performs frequency analysis on the beat signals before and after changing the shift direction, thereby reducing errors based on such Doppler effect. . The measurement operation of such a measurement device 100 will be explained next.

[測定装置100の動作フローの第1例]
図9は、本実施形態に係る測定装置100の動作フローの第1例を示す。測定装置100は、図9のS1010からS1060までの動作を実行することにより、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離dを測定する。
[First example of operation flow of measuring device 100]
FIG. 9 shows a first example of the operation flow of the measuring device 100 according to this embodiment. The measuring device 100 measures the distance d between the optical head section 140 and the measurement target object 10 by executing the operations from S1010 to S1060 in FIG.

まず、S1010において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定する。例えば、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を正側に設定する。また、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフトのシフト量νを更に設定してもよい。 First, in S1010, the control unit 50 sets the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 to either the positive side or the negative side. For example, the control unit 50 sets the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 to the positive side. Further, the control unit 50 may further set the shift amount ν s of the frequency shift of the optical SSB modulator 30.

次に、S1020において、制御部50は、レーザ共振器内に増幅媒体114と光SSB変調器30とを有するレーザ装置110を制御して、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。そして、分岐部120は、レーザ装置110が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部140は、測定光を計測対象物10に照射する。そして、光ヘッド部140は、計測対象物10から反射された反射光を受光する。ビート信号発生部150は、反射光と参照光とを混合して正側ビート信号を発生させる。 Next, in S1020, the control unit 50 controls the laser device 110 having the amplification medium 114 and the optical SSB modulator 30 in the laser resonator to output frequency modulated laser light of a plurality of modes. Then, the branching unit 120 branches part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device 110 into a reference light, and branches at least part of the remaining part into a measurement light. The optical head section 140 irradiates the measurement object 10 with measurement light. The optical head section 140 then receives the reflected light from the measurement target object 10. The beat signal generator 150 mixes the reflected light and the reference light to generate a positive beat signal.

次に、S1030において、制御部50は、検出部160を制御して、検出部160に正側ビート信号を周波数解析させる。検出部160は、例えば、正側ビート信号をレーザ共振器の共振周波数の2倍以上のサンプリング周波数でサンプリングして、サンプリングデータを生成する。周波数解析部220は、サンプリングデータのI信号およびQ信号を周波数変換してI+jQを算出する。そして、周波数解析部220は、正側ビート信号が発生した正側周波数Fを算出する。 Next, in S1030, the control unit 50 controls the detection unit 160 to cause the detection unit 160 to analyze the frequency of the positive beat signal. For example, the detection unit 160 samples the positive beat signal at a sampling frequency that is twice or more the resonance frequency of the laser resonator to generate sampling data. The frequency analysis unit 220 calculates I+jQ by frequency converting the I signal and Q signal of the sampling data. Then, the frequency analysis unit 220 calculates the positive frequency F1 at which the positive beat signal is generated.

次に、S1040において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を反対方向に切り換える。例えば、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を正側から負側に切り換える。分岐部120は、周波数シフト方向が切り換えられた周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部140は、測定光を計測対象物10に照射する。光ヘッド部140は、計測対象物10から反射された反射光を受光する。そして、ビート信号発生部150は、反射光と参照光とを混合して負側ビート信号を発生させる。 Next, in S1040, the control unit 50 switches the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 to the opposite direction. For example, the control unit 50 switches the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 from the positive side to the negative side. The branching unit 120 branches a portion of the frequency modulated laser beam whose frequency shift direction has been switched as reference light, and branches at least a portion of the remaining portion as measurement light. The optical head section 140 irradiates the measurement object 10 with measurement light. The optical head section 140 receives reflected light reflected from the measurement target object 10. Then, the beat signal generating section 150 mixes the reflected light and the reference light to generate a negative beat signal.

次に、S1050において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を切り換えてから、検出部160を制御して負側ビート信号を周波数解析させる。検出部160は、例えば、正側ビート信号と同様に、負側ビート信号が発生した負側周波数Fを算出する。 Next, in S1050, the control unit 50 switches the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30, and then controls the detection unit 160 to frequency-analyze the negative beat signal. For example, similarly to the positive beat signal, the detection unit 160 calculates the negative frequency F2 at which the negative beat signal is generated.

次に、S1060において、周波数解析部220は、正側ビート信号および負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差、即ち距離dを検出する。ここで、測定装置100および計測対象物10の間の相対速度に応じたドップラー効果が発生している場合、正側ビート信号および負側ビート信号の周波数解析結果には誤差が含まれることになる。 Next, in S1060, the frequency analysis unit 220 detects the difference in propagation distance between the reference light and the measurement light, that is, the distance d, based on the results of frequency analysis of the positive beat signal and the negative beat signal. Here, if a Doppler effect occurs depending on the relative speed between the measurement device 100 and the measurement target 10, the frequency analysis results of the positive beat signal and the negative beat signal will include errors. .

例えば、ドップラー効果による周波数誤差をΔFとすると、正側ビート信号の正側周波数Fは、F-ΔFと表すことができる。ここで、Fは、ドップラー効果が発生していない場合に観測される正側ビート信号の周波数である。また、負側ビート信号の負側周波数Fは、光SSB変調器30の周波数シフト方向を反対側に切り換えているので、ドップラー効果による誤差の正負の符号が反転し、F+ΔFと表すことができる。このような正側周波数Fおよび負側周波数Fの概念について、図10を用いて説明する。 For example, if the frequency error due to the Doppler effect is ΔF, the positive frequency F 1 of the positive beat signal can be expressed as F 0 −ΔF. Here, F 0 is the frequency of the positive beat signal observed when the Doppler effect does not occur. Furthermore, since the negative side frequency F 2 of the negative side beat signal has the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 switched to the opposite side, the sign of the error due to the Doppler effect is reversed and can be expressed as F 0 +ΔF. Can be done. The concept of such positive side frequency F 1 and negative side frequency F 2 will be explained using FIG. 10.

図10は、本実施形態に係る測定装置100の参照光および測定光の光周波数と、観測されるビート信号の周波数の概念を示す。図10の上側の図は、横軸が時間を示し、縦軸が参照光および測定光の光周波数を示す。また、図10の下側の図は、横軸が時間を示し、縦軸がビート信号の周波数を示す。図10は、制御部50が光SSB変調器30の周波数シフト方向の切り換えを一定の周期Tで繰り返している例を示す。 FIG. 10 shows the concept of the optical frequencies of the reference light and measurement light of the measuring device 100 according to this embodiment, and the frequency of the observed beat signal. In the upper diagram of FIG. 10, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the optical frequencies of the reference light and measurement light. Further, in the lower diagram of FIG. 10, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the frequency of the beat signal. FIG. 10 shows an example in which the control unit 50 repeatedly switches the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 at a constant period T.

例えば、時刻tからtn+1までの期間にビート信号発生部150に到達した参照光は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を正側にした期間にレーザ装置110から出力されたレーザ光の一部である。また、光SSB変調器30の周波数シフト方向を正側にした期間に分岐された測定光は、一定の時間だけ遅延した時刻tからtm+1までの期間にビート信号発生部150へと到達する。 For example, the reference light that has reached the beat signal generator 150 during the period from time t n to t n+1 is the same as the laser light output from the laser device 110 during the period when the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 is set to the positive side. Part of it. Furthermore, the measurement light branched during the period when the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 is set to the positive side reaches the beat signal generation unit 150 during the period from time t m to t m+1 delayed by a certain time. .

ドップラー効果による影響がなければ、参照光に対する測定光の遅延時間は、計測対象物10までの距離dに対応し、ビート信号発生部150が発生するビート信号の周波数はFとなる。図10は、ドップラー効果による誤差ΔFが生じている例を示し、時刻tからtn+1までの期間にビート信号発生部150が発生する正側ビート信号の正側周波数FはF-ΔFとなる。 If there is no influence from the Doppler effect, the delay time of the measurement light relative to the reference light corresponds to the distance d to the measurement object 10, and the frequency of the beat signal generated by the beat signal generation section 150 is F0 . FIG. 10 shows an example in which an error ΔF occurs due to the Doppler effect, and the positive frequency F 1 of the positive beat signal generated by the beat signal generator 150 during the period from time t m to t n+1 is F 0 −ΔF. becomes.

同様に、時刻tn+1からtn+2までの期間にビート信号発生部150に到達した参照光は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を負側にした期間にレーザ装置110から出力されたレーザ光の一部である。また、光SSB変調器30の周波数シフト方向を負側にした期間に分岐された測定光は、一定の時間だけ遅延した時刻tm+1からtm+2までの期間にビート信号発生部150へと到達する。 Similarly, the reference light that reached the beat signal generator 150 during the period from time t n+1 to t n+2 is the laser light that was output from the laser device 110 during the period when the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 was set to the negative side. is part of. Further, the measurement light branched during the period when the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 is set to the negative side reaches the beat signal generation unit 150 during the period from time t m+1 to t m+2 delayed by a certain time. .

ここで、ドップラー効果による誤差は、測定光の周波数をシフトするので、図10の上側の図において測定光の波形を縦軸方向にずれることになる。この場合、参照光に対する測定光の遅延時間は、シフト方向に応じて異なる時間になる。例えば、時刻tm+1からtn+2までの期間にビート信号発生部150が発生する負側ビート信号の負側周波数FはF+ΔFとなる。 Here, since the error due to the Doppler effect shifts the frequency of the measurement light, the waveform of the measurement light is shifted in the vertical axis direction in the upper diagram of FIG. In this case, the delay time of the measurement light with respect to the reference light varies depending on the shift direction. For example, the negative frequency F 2 of the negative beat signal generated by the beat signal generating section 150 during the period from time t m+1 to t n+2 is F 0 +ΔF.

したがって、周波数解析部220は、一例として、正側周波数Fおよび負側周波数Fの平均値を算出すると、理想的には、ドップラー効果による影響がない場合に発生するビート信号の周波数Fの値を得ることができる。これにより、周波数解析部220は、(数6)式を用いて、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離dを算出できる。表示部170は、算出した距離dの値を表示する。 Therefore, as an example, when the frequency analysis unit 220 calculates the average value of the positive side frequency F 1 and the negative side frequency F 2 , the frequency analysis unit 220 ideally calculates the frequency F 0 of the beat signal that would occur without the influence of the Doppler effect. You can get the value of Thereby, the frequency analysis section 220 can calculate the distance d between the optical head section 140 and the measurement target object 10 using equation (6). The display unit 170 displays the calculated value of the distance d.

以上のように、検出部160は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、光SSB変調器30の周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、ドップラー効果による影響を低減させた参照光と測定光との伝搬距離の差を検出することができる。なお、測定装置100は、周波数変調レーザ光を計測対象物10に照射する位置を異ならせて、図9に示す動作フローを繰り返して、計測対象物10の形状を測定してもよい。 As described above, the detection unit 160 detects the positive beat signal generated when the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 is set to the positive side, and the positive beat signal generated when the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 is set to the negative side. Based on the results of frequency analysis of the generated negative-side beat signals, it is possible to detect the difference in propagation distance between the reference light and the measurement light, which are less affected by the Doppler effect. Note that the measuring device 100 may measure the shape of the measurement object 10 by repeating the operation flow shown in FIG. 9 by changing the position at which the measurement object 10 is irradiated with the frequency modulated laser beam.

以上の本実施形態に係る測定装置100は、光SSB変調器30を有するレーザ装置110を用いることで、ドップラー効果による影響を低減させて計測対象物10までの距離dを精度よく測定できる。ここで、(数6)式より、ビート信号の信号周波数ν(m,d)の測定精度が距離dの測定精度に与える影響は、νおよびνの値が大きいほど小さくなる。レーザ装置110の共振器長を短くすることでνの値を大きくすることはできるが、レーザ発振に必要な増幅媒体114の長さ、ファイバの取り扱いに必要な長さ等にも限界があり、容易にνの値を大きくすることはできない。 By using the laser device 110 having the optical SSB modulator 30, the measuring device 100 according to the present embodiment described above can reduce the influence of the Doppler effect and measure the distance d to the measurement target 10 with high accuracy. Here, from equation (6), the influence of the measurement accuracy of the signal frequency ν B (m, d) of the beat signal on the measurement accuracy of the distance d becomes smaller as the values of ν s and ν c become larger. Although it is possible to increase the value of ν c by shortening the resonator length of the laser device 110, there are limits to the length of the amplification medium 114 necessary for laser oscillation, the length necessary for handling the fiber, etc. , the value of ν c cannot be easily increased.

周波数シフタ112として、AOFS20を用いた場合、光学結晶21による周波数シフト量の最大値は1.5GHz程度であり、効率等の観点から通常は数百MHz程度のシフト量である。また、超音波トランスデューサ22には共振周波数があるので、周波数シフト量を可変にして用いるには限界がある。 When the AOFS 20 is used as the frequency shifter 112, the maximum frequency shift amount due to the optical crystal 21 is about 1.5 GHz, and from the viewpoint of efficiency etc., the shift amount is usually about several hundred MHz. Further, since the ultrasonic transducer 22 has a resonant frequency, there is a limit to its use with variable frequency shift amount.

これに対し、本実施形態に係る測定装置100は、光SSB変調器30を用いるので、AOFS20と比較して数十倍程度の周波数シフト量νを設定可能とする。したがって、測定装置100は、従来に比べて、距離dの変化に対するビート周波数の感度を数十倍程度に向上させることができ、計測対象物10までの距離dを高精度に測定できる。 On the other hand, since the measuring device 100 according to the present embodiment uses the optical SSB modulator 30, it is possible to set a frequency shift amount ν s that is several tens of times larger than that of the AOFS 20. Therefore, the measuring device 100 can improve the sensitivity of the beat frequency to changes in the distance d by several tens of times compared to the conventional method, and can measure the distance d to the measurement target 10 with high precision.

また、本実施形態に係る測定装置100は、周波数シフト帰還レーザの周波数のシフト量を変更できることにより、例えば、ビート信号の次数mを容易に決定することもできる。(数6)式の説明でも述べたとおり、次数mは、レーザ装置110の周波数シフト量νを変化させた場合のビート信号の変化を検出することによって判別できる。 Further, the measuring device 100 according to the present embodiment can also easily determine the order m of the beat signal, for example, by being able to change the shift amount of the frequency of the frequency shift feedback laser. As described in the explanation of equation (6), the order m can be determined by detecting the change in the beat signal when the frequency shift amount ν s of the laser device 110 is changed.

このような次数mの決定方法は、特許文献1等に記載されているように、異なる周波数シフト量毎にビート信号を検出して、(数5)式の関係式を生成して連立させ、次数mを連立方程式の解として算出する方法として既知である。測定装置100は、周波数シフト帰還レーザの周波数のシフト量を変更することで、このような方法を用いて次数mを判別してよい。 As described in Patent Document 1, etc., such a method for determining the order m detects a beat signal for each different frequency shift amount, generates the relational expression of equation (5), and makes it simultaneous. This method is known as a method for calculating the order m as a solution of simultaneous equations. The measuring device 100 may determine the order m using such a method by changing the shift amount of the frequency of the frequency-shifted feedback laser.

なお、周波数シフト量の変化に応じて次数mが変化してしまうと、連立方程式の解の数が増加することになり、連立すべき方程式の数を対応して増加させなければならない。次数mの値は、距離dを絶対測長範囲で割った商として、次式のように示すことができる。ここで、絶対測長範囲は、次数mの値が変わらずに、連続的に距離dを測定できる範囲であり、シフト周波数νの逆数の時間内に測定光が往復する距離(即ち、c/2ν)である。また、floor()は、小数部分の切り捨てを意味する。

Figure 2023171464000008
Note that if the order m changes in accordance with a change in the amount of frequency shift, the number of solutions to the simultaneous equations will increase, and the number of equations to be made simultaneously must be correspondingly increased. The value of the order m can be expressed as the quotient of the distance d divided by the absolute measurement range as shown in the following equation. Here, the absolute length measurement range is the range in which the distance d can be continuously measured without changing the value of the order m, and the distance that the measurement light travels back and forth within the reciprocal of the shift frequency νs (i.e., c /2ν s ). Also, floor() means truncation of the decimal part.
Figure 2023171464000008

ここで、(数7)式をνで微分することにより、次式を得る。

Figure 2023171464000009
Here, by differentiating equation (7) with ν s , the following equation is obtained.
Figure 2023171464000009

(数8)式より、距離dの値が大きければ大きいほど、周波数のシフト量νの変化に対する次数mの値の変化量が大きいことがわかる。これは、レーザ装置110から計測対象物10までの距離dが離れていれば離れているほど、周波数シフトによって次数mが変化しやすいことを意味する。また、上述のように、周波数シフト量νを大きくすると、距離の測定精度が向上する一方で、絶対測長範囲が狭くなり、次数mが変化しやすい。したがって、より遠くの計測対象物10を精度良く測定するには、mの値がより多く変化して連立方程式が複雑になってしまうので、測定装置100による測定が困難になってしまうことがあった。 From equation (8), it can be seen that the larger the value of the distance d, the larger the amount of change in the value of the order m with respect to the change in the frequency shift amount ν s . This means that the greater the distance d from the laser device 110 to the measurement target 10, the more likely the order m will change due to the frequency shift. Further, as described above, when the frequency shift amount ν s is increased, the distance measurement accuracy is improved, but the absolute length measurement range is narrowed, and the order m is likely to change. Therefore, in order to accurately measure the object 10 that is farther away, the value of m changes more and the simultaneous equations become more complicated, which may make it difficult for the measuring device 100 to measure the object 10. Ta.

そこで、本実施形態に係る測定装置100は、次数mを決定するための周波数シフト量と、距離dを測定するための周波数シフト量とを異ならせることにより、より高感度でより遠方の距離dを測定可能とする。このような測定装置100の測定動作について次に説明する。 Therefore, the measuring device 100 according to the present embodiment has a higher sensitivity and a more distant distance d by differentiating the frequency shift amount for determining the order m and the frequency shift amount for measuring the distance d. can be measured. The measurement operation of such a measurement device 100 will be explained next.

[測定装置100の動作フローの第2例]
図11は、本実施形態に係る測定装置100の動作フローの第2例を示す。第2例の動作フローにおいて、第1例の動作フローで既に説明した動作については説明の一部を省略する。
[Second example of operation flow of measuring device 100]
FIG. 11 shows a second example of the operation flow of the measuring device 100 according to this embodiment. In the operation flow of the second example, a part of the explanation of the operations already explained in the operation flow of the first example will be omitted.

まず、S1110において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト量νを第1周波数νs1に設定する。第1周波数νs1は、次数mを判定するための周波数シフト量であり、距離dを測定するための周波数シフト量よりも小さい値である。第1周波数νs1は、距離dを測定するための絶対測長範囲を数倍程度以上の範囲に拡大するための低い周波数であることが望ましい。また、第1周波数νs1は、後に述べるように、距離dに対応する周波数であることがより望ましい。第1周波数νs1は、例えば、数十MHzから数GHz程度の周波数である。また、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を更に設定してもよい。 First, in S1110, the control unit 50 sets the frequency shift amount ν s of the optical SSB modulator 30 to the first frequency ν s1 . The first frequency ν s1 is a frequency shift amount for determining the order m, and is a smaller value than the frequency shift amount for measuring the distance d. The first frequency ν s1 is desirably a low frequency for expanding the absolute length measurement range for measuring the distance d to several times or more. Further, as described later, it is more desirable that the first frequency ν s1 be a frequency corresponding to the distance d. The first frequency ν s1 is, for example, a frequency on the order of several tens of MHz to several GHz. Further, the control unit 50 may further set the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30.

次に、S1120において、制御部50は、レーザ共振器内に増幅媒体114と光SSB変調器30とを有するレーザ装置110を制御して、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。そして、分岐部120は、レーザ装置110が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部140は、測定光を計測対象物10に照射する。そして、光ヘッド部140は、計測対象物10から反射された反射光を受光する。ビート信号発生部150は、反射光と参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させる。 Next, in S1120, the control unit 50 controls the laser device 110 having the amplification medium 114 and the optical SSB modulator 30 in the laser resonator to output frequency modulated laser light of a plurality of modes. Then, the branching unit 120 branches part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device 110 into a reference light, and branches at least part of the remaining part into a measurement light. The optical head section 140 irradiates the measurement object 10 with measurement light. The optical head section 140 then receives the reflected light from the measurement target object 10. The beat signal generator 150 mixes the reflected light and the reference light to generate an order determination beat signal.

次に、S1130において、制御部50は、検出部160を制御して、検出部160に次数判定ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部220は、次数判定ビート信号が発生した次数判定用の周波数Fを算出する。 Next, in S1130, the control unit 50 controls the detection unit 160 to cause the detection unit 160 to frequency-analyze the order determination beat signal. Then, the frequency analysis unit 220 calculates the order determination frequency F3 at which the order determination beat signal is generated.

次に、S1140において、周波数解析部220は、次数判定用の周波数Fと(数5)式とを用いて、次数mを判定する。周波数解析部220は、距離dを測定するための絶対測長範囲における次数mを判定する。このような周波数シフト量νと絶対測長範囲との関係について、図12を用いて説明する。 Next, in S1140, the frequency analysis unit 220 determines the order m using the frequency F3 for order determination and the equation (5). The frequency analysis unit 220 determines the order m in the absolute length measurement range for measuring the distance d. The relationship between the frequency shift amount ν s and the absolute length measurement range will be explained using FIG. 12.

図12は、本実施形態に係るレーザ装置110の周波数シフト量νと絶対測長範囲との関係の概念を示す。図12の横軸は計測対象物10までの距離dを示し、縦軸はビート信号の周波数を示す。図12の実線で示す複数の直線は、図6で説明したように、距離dに対するビート信号の周波数ν(m,d)の関係を、複数のm毎に示したグラフである。即ち、実線で示す複数の直線は、制御部50が距離dを測定するための周波数シフト量νs2をレーザ装置110に設定した場合の距離dおよび周波数ν(m,d)の関係を示す。この場合の周波数シフト量νs2を第2周波数とする。また、絶対測長範囲は、c/2ν=c/2νs2となる。 FIG. 12 shows the concept of the relationship between the frequency shift amount ν s and the absolute length measurement range of the laser device 110 according to the present embodiment. The horizontal axis in FIG. 12 indicates the distance d to the measurement target 10, and the vertical axis indicates the frequency of the beat signal. As explained in FIG. 6, the plurality of straight lines shown by solid lines in FIG. 12 are graphs showing the relationship between the frequency ν B (m, d) of the beat signal and the distance d for each of the plurality m. That is, the plurality of straight lines shown by solid lines indicate the relationship between the distance d and the frequency ν B (m, d) when the control unit 50 sets the frequency shift amount ν s2 for measuring the distance d in the laser device 110. . The frequency shift amount ν s2 in this case is defined as the second frequency. Further, the absolute length measurement range is c/2ν s =c/2ν s2 .

図12の点線で示す直線は、周波数シフト量νを第1周波数νs1に設定した場合の距離dおよび周波数ν(m,d)の関係を示す。図12は、第1周波数νs1をνs2/5とした例を示す。これにより、絶対測長範囲が、5c/2νs2に拡大されたことがわかる。したがって、周波数シフト量νを第1周波数νs1に設定し、0からνまでの範囲の周波数の次数判定ビート信号を検出すると、次数mの変化なしに距離dに対応する次数判定用の周波数Fを検出できる。 The straight line shown by the dotted line in FIG. 12 shows the relationship between the distance d and the frequency ν B (m, d) when the frequency shift amount ν s is set to the first frequency ν s1 . FIG. 12 shows an example in which the first frequency ν s1 is set to ν s2 /5. This shows that the absolute length measurement range has been expanded to 5c/2ν s2 . Therefore, when the frequency shift amount ν s is set to the first frequency ν s1 and an order determination beat signal with a frequency in the range from 0 to ν c is detected, the order determination beat signal corresponding to the distance d without any change in the order m is detected. Frequency F3 can be detected.

一例として、検出部160が次数判定ビート信号を検出して周波数解析し、周波数Fを算出したとする。この場合、次数判定ビート信号の周波数は、絶対測長範囲の範囲内なので、周波数Fに対応する距離dを算出できる。そして、算出された距離dに基づき、周波数シフト量を第2周波数νに設定した場合の次数mを判定することができる。例えば、図12の実線で示す複数の直線より、距離dを測定可能な絶対測長範囲は次数m=3であり、他の次数の直線によるビート信号はレプリカとなることがわかる。以上のように、第1周波数νs1をより低い周波数とすることで、絶対測長範囲を拡大させて、距離dを測定する場合の次数mを判定できる。なお、第1周波数νs1は、拡大した絶対測長範囲に計測対象物10までの距離dに対応する周波数が含まれる程度の周波数とすることが望ましい。 As an example, assume that the detection unit 160 detects the order determination beat signal, performs frequency analysis, and calculates the frequency F3 . In this case, since the frequency of the order determination beat signal is within the absolute length measurement range, the distance d 3 corresponding to the frequency F 3 can be calculated. Then, based on the calculated distance d3 , it is possible to determine the order m when the frequency shift amount is set to the second frequency νs . For example, from the plurality of straight lines shown as solid lines in FIG. 12, it can be seen that the absolute length measurement range in which the distance d3 can be measured is of order m=3, and that beat signals generated by straight lines of other orders are replicas. As described above, by setting the first frequency ν s1 to a lower frequency, the absolute length measurement range can be expanded and the order m when measuring the distance d can be determined. Note that the first frequency ν s1 is desirably set to a frequency such that the frequency corresponding to the distance d to the measurement target object 10 is included in the expanded absolute length measurement range.

次に、S1150において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト量νを第1周波数νs1よりも大きい第2周波数νs2に切り換える。第2周波数νs2は、上述のとおり、距離dを測定するための周波数シフト量である。分岐部120は、周波数シフト量が切り換えられた周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部140は、測定光を計測対象物10に照射する。光ヘッド部140は、計測対象物10から反射された反射光を受光する。そして、ビート信号発生部150は、反射光と参照光とを混合して距離測定ビート信号を発生させる。 Next, in S1150, the control unit 50 switches the frequency shift amount ν s of the optical SSB modulator 30 to the second frequency ν s2 , which is larger than the first frequency ν s1 . As described above, the second frequency ν s2 is the frequency shift amount for measuring the distance d. The branching unit 120 branches part of the frequency modulated laser light whose frequency shift amount has been changed as reference light, and branches at least part of the remaining part as measurement light. The optical head section 140 irradiates the measurement object 10 with measurement light. The optical head section 140 receives reflected light reflected from the measurement target object 10. The beat signal generator 150 then mixes the reflected light and the reference light to generate a distance measurement beat signal.

次に、S1160において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト量を切り換えてから、検出部160を制御して距離測定ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部220は、距離測定ビート信号が発生した距離測定用の周波数Fを算出する。 Next, in S1160, the control unit 50 switches the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30, and then controls the detection unit 160 to perform frequency analysis of the distance measurement beat signal. Then, the frequency analysis unit 220 calculates the distance measurement frequency F4 at which the distance measurement beat signal is generated.

次に、S1170において、周波数解析部220は、次数判定ビート信号および距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。周波数解析部220は、例えば、次数mと距離測定用の周波数Fを(数6)式に代入して、距離dを算出する。表示部170は、算出した距離dの値を表示する。 Next, in S1170, the frequency analysis unit 220 detects the difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on the results of frequency analysis of the order determination beat signal and the distance measurement beat signal. For example, the frequency analysis unit 220 calculates the distance d by substituting the order m and the frequency F 4 for distance measurement into equation (6). The display unit 170 displays the calculated value of the distance d.

以上のように、測定装置100は、少なくとも次数mが判定できる程度の分解能を有するように、周波数シフト量を低減させることで、容易に次数mを判定可能とする。そして、周波数シフト量をより高い周波数に切り換えることにより、測定精度を向上させてから距離dを測定する。これにより、測定装置100は、より遠方の距離dをより高感度で測定することができる。 As described above, the measuring device 100 can easily determine the order m by reducing the amount of frequency shift so that it has resolution sufficient to at least determine the order m. Then, the distance d is measured after improving measurement accuracy by switching the frequency shift amount to a higher frequency. Thereby, the measuring device 100 can measure a farther distance d with higher sensitivity.

なお、図11の動作フローにおいて、測定装置100が次数判定ビート信号を検出してから距離測定ビート信号を検出する例を説明したが、これに限定されることはない。測定装置100は、距離測定ビート信号を検出してから次数判定ビート信号を検出してもよい。このように、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト量を第1周波数νs1と第1周波数νs1よりも大きい第2周波数νs2のいずれかに設定してから、検出部160にビート信号を周波数解析させてよい。そして、検出部160は、光SSB変調器30の周波数シフト量を第1周波数νs1にした場合に発生した次数判定ビート信号と、光SSB変調器の周波数シフト量を第2周波数νs2にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。 Note that in the operational flow of FIG. 11, an example has been described in which the measuring device 100 detects the order determination beat signal and then detects the distance measurement beat signal, but the present invention is not limited to this. The measuring device 100 may detect the order determination beat signal after detecting the distance measurement beat signal. In this way, the control unit 50 sets the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30 to either the first frequency ν s1 or the second frequency ν s2 which is larger than the first frequency ν s1 , and then the detection unit 160 The beat signal may be frequency analyzed. Then, the detection unit 160 uses the order determination beat signal generated when the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30 is set to the first frequency ν s1 and the order determination beat signal generated when the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30 is set to the second frequency ν s2 . The difference in propagation distance between the reference light and the measurement light is detected based on the results of frequency analysis of the distance measurement beat signals generated in each case.

以上の本実施形態に係る測定装置100において、ドップラー効果の影響を低減させる動作と、次数mを判定する動作とをそれぞれ別個に説明したが、これに限定されることはない。測定装置100は、ドップラー効果の影響を低減させつつ、次数mを判定してもよい。このような測定装置100の動作について、次に説明する。 In the measuring device 100 according to the present embodiment, the operation of reducing the influence of the Doppler effect and the operation of determining the order m have been described separately, but the present invention is not limited thereto. The measurement device 100 may determine the order m while reducing the influence of the Doppler effect. The operation of such a measuring device 100 will be described next.

[測定装置100の動作フローの第3例]
図13は、本実施形態に係る測定装置100の動作フローの第3例を示す。第3例の動作フローにおいて、第1例の動作フローおよび第2例の動作フローで既に説明した動作については説明の一部を省略する。
[Third example of operation flow of measuring device 100]
FIG. 13 shows a third example of the operation flow of the measuring device 100 according to this embodiment. In the operation flow of the third example, a part of the description of the operations already explained in the operation flow of the first example and the operation flow of the second example will be omitted.

まず、S1210において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト量を第1周波数νs1に設定し、周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定する。一例として、制御部50は、第1周波数をν/5に、周波数シフト方向を正に設定する。 First, in S1210, the control unit 50 sets the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30 to the first frequency ν s1 , and sets the frequency shift direction to either the positive side or the negative side. As an example, the control unit 50 sets the first frequency to ν s /5 and the frequency shift direction to positive.

次に、S1220において、制御部50は、レーザ装置110を制御して、複数のモードの周波数変調レーザ光を出力する。そして、分岐部120は、レーザ装置110が出力する周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部140は、測定光を計測対象物10に照射する。そして、光ヘッド部140は、計測対象物10から反射された反射光を受光する。ビート信号発生部150は、反射光と参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させる。 Next, in S1220, the control unit 50 controls the laser device 110 to output frequency modulated laser light of a plurality of modes. Then, the branching unit 120 branches part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device 110 into a reference light, and branches at least part of the remaining part into a measurement light. The optical head section 140 irradiates the measurement object 10 with measurement light. The optical head section 140 then receives the reflected light from the measurement target object 10. The beat signal generator 150 mixes the reflected light and the reference light to generate an order determination beat signal.

次に、S1230において、制御部50は、検出部160を制御して、検出部160に次数判定ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部220は、次数判定ビート信号が発生した次数判定用の周波数Fを算出する。 Next, in S1230, the control unit 50 controls the detection unit 160 to cause the detection unit 160 to analyze the frequency of the order determination beat signal. Then, the frequency analysis unit 220 calculates the order determination frequency F 0 at which the order determination beat signal is generated.

次に、S1240において、周波数解析部220は、次数判定用の周波数Fと(数5)式とを用いて、次数mを判定する。この段階において、次数判定ビート信号に基づいて算出された周波数Fには、ドップラー効果の影響による誤差が含まれていることがある。しかしながら、ドップラー効果の影響による誤差は、次数mの判定にはほとんど影響を及ぼさない程度の小さな誤差であり、ここでは問題にはならない。 Next, in S1240, the frequency analysis unit 220 determines the order m using the frequency F 0 for order determination and the equation (5). At this stage, the frequency F1 calculated based on the order determination beat signal may include an error due to the influence of the Doppler effect. However, the error caused by the Doppler effect is so small that it hardly affects the determination of the order m, and is not a problem here.

次に、S1250において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト量を第1周波数よりも大きい第2周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させる。ここで、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を変更しない。 Next, in S1250, the control unit 50 switches the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30 to a second frequency that is larger than the first frequency, and generates a positive beat signal. Here, the control unit 50 does not change the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30.

次に、S1260において、制御部50は、検出部160を制御して正側ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部220は、周波数解析結果を用いて正側ビート信号が発生した正側周波数Fを算出する。この段階においても、正側ビート信号に基づいて算出された正側周波数Fには、ドップラー効果の影響による誤差が含まれていることがある。 Next, in S1260, the control unit 50 controls the detection unit 160 to frequency-analyze the positive beat signal. Then, the frequency analysis unit 220 uses the frequency analysis results to calculate the positive frequency F1 at which the positive beat signal is generated. Even at this stage, the positive side frequency F1 calculated based on the positive side beat signal may include an error due to the influence of the Doppler effect.

次に、S1270において、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト量を第2周波数のまま、周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させる。例えば、制御部50は、光SSB変調器30の周波数シフト方向を正側から負側に切り換える。分岐部120は、周波数シフト方向が切り換えられた周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる。光ヘッド部140は、測定光を計測対象物10に照射する。光ヘッド部140は、計測対象物10から反射された反射光を受光する。そして、ビート信号発生部150は、反射光と参照光とを混合して負側ビート信号を発生させる。 Next, in S1270, the control unit 50 changes the frequency shift direction to the opposite direction while keeping the frequency shift amount of the optical SSB modulator 30 at the second frequency, thereby generating a negative beat signal. For example, the control unit 50 switches the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 from the positive side to the negative side. The branching unit 120 branches a portion of the frequency modulated laser beam whose frequency shift direction has been switched as reference light, and branches at least a portion of the remaining portion as measurement light. The optical head section 140 irradiates the measurement object 10 with measurement light. The optical head section 140 receives reflected light reflected from the measurement target object 10. Then, the beat signal generating section 150 mixes the reflected light and the reference light to generate a negative beat signal.

次に、S1280において、制御部50は、検出部160を制御して負側ビート信号を周波数解析させる。そして、周波数解析部220は、周波数解析結果を用いて負側ビート信号が発生した負側周波数Fを算出する。この段階においても、負側ビート信号に基づいて算出された負側周波数Fには、ドップラー効果の影響による誤差が含まれていることがある。この場合、負側周波数Fに含まれている誤差は、正側周波数Fに含まれている誤差と比較して、値が略同一で符号が反転していることになる。 Next, in S1280, the control unit 50 controls the detection unit 160 to frequency-analyze the negative beat signal. Then, the frequency analysis unit 220 uses the frequency analysis results to calculate the negative frequency F2 at which the negative beat signal is generated. Even at this stage, the negative side frequency F2 calculated based on the negative side beat signal may include an error due to the influence of the Doppler effect. In this case, the error included in the negative frequency F 2 has substantially the same value and the opposite sign compared to the error included in the positive frequency F 1 .

次に、S1290において、周波数解析部220は、次数判定ビート信号、正側ビート信号、および負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、参照光と測定光との伝搬距離の差を検出する。周波数解析部220は、一例として、正側周波数Fおよび負側周波数Fの平均値を算出する。これにより、周波数解析部220は、平均値と次数mとを(数6)式に代入して、光ヘッド部140および計測対象物10の間の距離dを算出する。表示部170は、算出した距離dの値を表示する。 Next, in S1290, the frequency analysis unit 220 detects the difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on the results of frequency analysis of the order determination beat signal, the positive beat signal, and the negative beat signal. For example, the frequency analysis unit 220 calculates the average value of the positive frequency F 1 and the negative frequency F 2 . Thereby, the frequency analysis section 220 calculates the distance d between the optical head section 140 and the measurement target object 10 by substituting the average value and the order m into equation (6). The display unit 170 displays the calculated value of the distance d.

以上のように、本実施形態に係る測定装置100は、容易に周波数シフト量および周波数シフト方向を変更できるレーザ装置110を備えているので、ドップラー効果の影響を低減させつつ次数mを判定し、高精度に計測対象物10までの距離dを測定することができる。 As described above, the measuring device 100 according to the present embodiment includes the laser device 110 that can easily change the frequency shift amount and frequency shift direction, so it can determine the order m while reducing the influence of the Doppler effect, The distance d to the measurement target 10 can be measured with high accuracy.

[制御部50の変形例]
以上の本実施形態に係る測定装置100において、レーザ装置110が光SSB変調器30を有し、光SSB変調器30に供給する電圧を切り換えることで、光SSB変調器30の周波数シフト方向を切り換え可能とする例を説明したが、これに限定されることはない。例えば、測定装置100は、光SSB変調器30を駆動するRF信号の位相を反転することで、光SSB変調器30の周波数シフト方向を切り換え可能としてもよい。このような測定装置100の光SSB変調器30および制御部50について次に説明する。
[Modified example of control unit 50]
In the measurement device 100 according to the present embodiment described above, the laser device 110 includes the optical SSB modulator 30, and by switching the voltage supplied to the optical SSB modulator 30, the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 is switched. Although an example in which this is possible has been described, the present invention is not limited to this. For example, the measuring device 100 may be able to switch the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 by inverting the phase of the RF signal that drives the optical SSB modulator 30. The optical SSB modulator 30 and control section 50 of such a measuring device 100 will be explained next.

図14は、本実施形態に係る制御部50の変形例を光SSB変調器30と共に示す。図14に示す光SSB変調器30および変形例の制御部50において、図3に示された本実施形態に係る光SSB変調器30および制御部50の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。変形例の制御部50は、位相差生成部310と切換部320とを更に有する。 FIG. 14 shows a modification of the control section 50 according to the present embodiment together with the optical SSB modulator 30. In the optical SSB modulator 30 and the control unit 50 of the modified example shown in FIG. 14, the same reference numerals are given to the operations that are substantially the same as those of the optical SSB modulator 30 and the control unit 50 according to the present embodiment shown in FIG. and omit the explanation. The control unit 50 of the modification further includes a phase difference generation unit 310 and a switching unit 320.

変形例の制御部50において、RF信号生成部54は、複数のRF信号を生成する。RF信号生成部54は、例えば、位相と周波数が略一致する2つのRF信号を生成する。RF信号生成部54は、一例として、1つのRF信号を2つに分岐してもよい。RF信号生成部54は、生成した複数のRF信号を位相差生成部310に供給する。 In the control unit 50 of the modified example, the RF signal generation unit 54 generates a plurality of RF signals. The RF signal generation unit 54 generates, for example, two RF signals that have substantially the same phase and frequency. The RF signal generation unit 54 may, for example, branch one RF signal into two. The RF signal generation section 54 supplies the plurality of generated RF signals to the phase difference generation section 310.

位相差生成部310は、入力する複数のRF信号の位相をそれぞれ異ならせて、予め定められた位相差を有する複数のRF信号を出力する。位相差生成部310は、例えば、入力する同位相の2つのRF信号を、略90度ずつ位相差を有する3つのRF信号にして出力する。例えば、位相差生成部310が出力する3つのRF信号のうち第1のRF信号の位相を0度とすると、第2のRF信号の位相は第1のRF信号に対して略90度異なり、第3のRF信号の位相は第1のRF信号に対して略180度異なる。 The phase difference generation unit 310 outputs a plurality of RF signals having a predetermined phase difference by varying the phases of a plurality of input RF signals. For example, the phase difference generation unit 310 converts two input RF signals having the same phase into three RF signals having a phase difference of approximately 90 degrees and outputs them. For example, if the phase of the first RF signal among the three RF signals output by the phase difference generation section 310 is 0 degrees, the phase of the second RF signal differs from the first RF signal by approximately 90 degrees, The phase of the third RF signal differs by approximately 180 degrees from the first RF signal.

位相差生成部310は、一例として、入力する2つのRF信号のうちの一方の位相を90度異ならせる。また、位相差生成部310は、入力する2つのRF信号のうちの他方のRF信号に対して、180度位相が異なるRF信号を生成する。言い換えると、位相差生成部310は、1つのRF信号(一例として、前述の第2のRF信号)と、当該1つのRF信号に対して位相が±90度異なる2つのRF信号(一例として、前述の第1および第3のRF信号)とを含む3つのRF信号を生成する。 For example, the phase difference generation unit 310 changes the phase of one of the two input RF signals by 90 degrees. Further, the phase difference generation section 310 generates an RF signal having a phase different by 180 degrees from the other RF signal of the two input RF signals. In other words, the phase difference generation unit 310 generates one RF signal (as an example, the above-mentioned second RF signal) and two RF signals (as an example, three RF signals including the above-mentioned first and third RF signals) are generated.

これに代えて、RF信号生成部54は、位相と周波数が略一致する3つのRF信号を生成して位相差生成部310に供給してもよい。この場合、位相差生成部310は、入力する3つのRF信号のうちの1つのRF信号の位相を90度異ならせ、また、残りの2つのRF信号のうちの一方のRF信号の位相を180度異ならせてもよい。 Alternatively, the RF signal generation section 54 may generate three RF signals having substantially the same phase and frequency and supply them to the phase difference generation section 310. In this case, the phase difference generation unit 310 changes the phase of one of the three input RF signals by 90 degrees, and also changes the phase of one of the remaining two RF signals by 180 degrees. The degree may be different.

そして、位相差生成部310は、3つのRF信号のうち、位相差が他の2つのRF信号からそれぞれ90度異なる1つのRF信号を第1RF電極38または第2RF電極39に供給する。そして、位相差生成部310は、残りの2つのRF信号を切換部320に供給する。図14は、位相差生成部310が第2のRF信号を第1RF電極38に供給し、第1のRF信号および第3のRF信号を切換部320に供給する例を示す。 Then, the phase difference generation unit 310 supplies one RF signal among the three RF signals, the phase difference of which differs by 90 degrees from the other two RF signals, to the first RF electrode 38 or the second RF electrode 39. Then, the phase difference generation section 310 supplies the remaining two RF signals to the switching section 320. FIG. 14 shows an example in which the phase difference generation section 310 supplies the second RF signal to the first RF electrode 38 and supplies the first RF signal and the third RF signal to the switching section 320.

切換部320は、入力する2つのRF信号のいずれか一方のRF信号を、第1RF電極38および第2RF電極39のうち位相差生成部310がRF信号を供給していない方の電極に供給する。図14は、切換部320に入力する2つのRF信号のいずれか一方のRF信号が第2RF電極39に入力する例を示す。 The switching unit 320 supplies one of the two input RF signals to the first RF electrode 38 and the second RF electrode 39 to which the phase difference generating unit 310 is not supplying the RF signal. . FIG. 14 shows an example in which one of the two RF signals input to the switching unit 320 is input to the second RF electrode 39.

これにより、第1RF電極38および第2RF電極39にそれぞれ供給される2つのRF信号の位相差は、+90度または-90度となる。また、2つの位相差は、制御部50が切換部320を制御することにより、切り換え可能である。このように、制御部50が第1RF電極38および第2RF電極39に供給するRF信号の位相差の正負を反転させることにより、光SSB変調器30の周波数シフト方向を切り換えることができる。即ち、制御部50は、光SSB変調器30に供給するRF信号の位相を切り換えることで、光SSB変調器30の周波数シフト方向を切り換え可能とする。 As a result, the phase difference between the two RF signals supplied to the first RF electrode 38 and the second RF electrode 39 becomes +90 degrees or -90 degrees. Further, the two phase differences can be switched by the control section 50 controlling the switching section 320. In this way, by inverting the sign of the phase difference of the RF signals supplied to the first RF electrode 38 and the second RF electrode 39 by the control unit 50, the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 can be switched. That is, the control unit 50 can switch the frequency shift direction of the optical SSB modulator 30 by switching the phase of the RF signal supplied to the optical SSB modulator 30.

以上のように、光SSB変調器30に供給するRF信号を切り換えることは、スイッチ等の簡便な回路構成で実現することができる。このように変形例の制御部50は、簡便な回路構成とすることができるので、低コスト、安定、および高速に周波数シフト方向を切り換え可能とすることができる。 As described above, switching the RF signal supplied to the optical SSB modulator 30 can be realized with a simple circuit configuration such as a switch. In this way, the control unit 50 of the modified example can have a simple circuit configuration, and therefore can switch the frequency shift direction stably and quickly at low cost.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist. be. For example, all or part of the device can be functionally or physically distributed and integrated into arbitrary units. In addition, new embodiments created by arbitrary combinations of multiple embodiments are also included in the embodiments of the present invention. The effects of the new embodiment resulting from the combination have the effects of the original embodiment.

10 計測対象物
20 AOFS
21 光学結晶
22 超音波トランスデューサ
23 超音波吸収体
24 発振器
30 光SSB変調器
31 基板
32 メインマッハツェンダ導波路
33 第1サブマッハツェンダ導波路
34 第2サブマッハツェンダ導波路
35 メインDC電極
36 第1サブDC電極
37 第2サブDC電極
38 第1RF電極
39 第2RF電極
41 第1アーム導波路
42 第2アーム導波路
43 第1サブアーム導波路
44 第2サブアーム導波路
45 第3サブアーム導波路
46 第4サブアーム導波路
50 制御部
52 直流電圧生成部
54 RF信号生成部
100 測定装置
110 レーザ装置
112 周波数シフタ
114 増幅媒体
116 WDMカプラ
117 ポンプ光源
118 出力カプラ
120 分岐部
130 光サーキュレータ
140 光ヘッド部
150 ビート信号発生部
152 光90度ハイブリッド
154 光電変換部
160 検出部
162 第1フィルタ部
164 第2フィルタ部
170 表示部
202 第1AD変換部
204 第2AD変換部
210 クロック信号供給部
220 周波数解析部
310 位相差生成部
320 切換部
10 Measurement object 20 AOFS
21 Optical crystal 22 Ultrasonic transducer 23 Ultrasonic absorber 24 Oscillator 30 Optical SSB modulator 31 Substrate 32 Main Mach-Zehnder waveguide 33 First sub-Mach-Zehnder waveguide 34 Second sub-Mach-Zehnder waveguide 35 Main DC electrode 36 First sub-DC electrode 37 Second sub-DC electrode 38 First RF electrode 39 Second RF electrode 41 First arm waveguide 42 Second arm waveguide 43 First sub-arm waveguide 44 Second sub-arm waveguide 45 Third sub-arm waveguide 46 Fourth sub-arm waveguide 50 Control section 52 DC voltage generation section 54 RF signal generation section 100 Measuring device 110 Laser device 112 Frequency shifter 114 Amplification medium 116 WDM coupler 117 Pump light source 118 Output coupler 120 Branch section 130 Optical circulator 140 Optical head section 150 Beat signal generation section 152 Optical 90 degree hybrid 154 Photoelectric conversion section 160 Detection section 162 First filter section 164 Second filter section 170 Display section 202 First AD conversion section 204 Second AD conversion section 210 Clock signal supply section 220 Frequency analysis section 310 Phase difference generation section 320 Switching Department

Claims (15)

複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するレーザ装置であって、
入力する光を増幅する増幅媒体と、
前記増幅媒体が増幅した光の周波数を周波数シフトする光SSB変調器と
を有するレーザ共振器と、
前記光SSB変調器を制御して、前記光SSB変調器に入力する光の周波数を周波数シフトさせる制御部と
を備える、レーザ装置。
A laser device that outputs frequency modulated laser light in multiple modes,
an amplification medium that amplifies input light;
an optical SSB modulator that shifts the frequency of the light amplified by the amplification medium;
A control unit that controls the optical SSB modulator to frequency shift the frequency of light input to the optical SSB modulator.
前記制御部は、前記光SSB変調器の周波数シフト量を設定する、請求項1に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 1, wherein the control section sets a frequency shift amount of the optical SSB modulator. 前記光SSB変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第1アーム導波路および第2アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第1アーム導波路に設けられている第1サブマッハツェンダ導波路と、
前記第2アーム導波路に設けられている第2サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第1サブマッハツェンダ導波路、および前記第2サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧およびRF信号を供給し、周波数を変更して前記周波数シフト量を設定する、請求項2に記載のレーザ装置。
The optical SSB modulator includes:
A substrate and
a main Mach-Zehnder waveguide provided on the substrate and having a first arm waveguide and a second arm waveguide;
a first sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the first arm waveguide;
a second sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the second arm waveguide;
The control unit applies a DC voltage of a predetermined value to electrodes provided on the substrate corresponding to the main Mach-Zehnder waveguide, the first sub-Mach-Zehnder waveguide, and the second sub-Mach-Zehnder waveguide. The laser device according to claim 2, wherein the laser device supplies an RF signal and changes the frequency to set the frequency shift amount.
前記制御部は、前記光SSB変調器の周波数シフト方向を設定する、請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザ装置。 The laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein the control unit sets a frequency shift direction of the optical SSB modulator. 前記光SSB変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第1アーム導波路および第2アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第1アーム導波路に設けられている第1サブマッハツェンダ導波路と、
前記第2アーム導波路に設けられている第2サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第1サブマッハツェンダ導波路、および前記第2サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に、予め定められた値の直流電圧を供給して前記周波数シフト方向を切り換える、請求項4に記載のレーザ装置。
The optical SSB modulator includes:
A substrate and
a main Mach-Zehnder waveguide provided on the substrate and having a first arm waveguide and a second arm waveguide;
a first sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the first arm waveguide;
a second sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the second arm waveguide;
The control unit applies a DC voltage of a predetermined value to electrodes provided on the substrate corresponding to the main Mach-Zehnder waveguide, the first sub-Mach-Zehnder waveguide, and the second sub-Mach-Zehnder waveguide. 5. The laser device according to claim 4, wherein the frequency shift direction is switched by supplying the frequency shift direction.
前記光SSB変調器は、
基板と、
前記基板に設けられており、第1アーム導波路および第2アーム導波路を有するメインマッハツェンダ導波路と、
前記第1アーム導波路に設けられている第1サブマッハツェンダ導波路と、
前記第2アーム導波路に設けられている第2サブマッハツェンダ導波路と
を有し、
前記制御部は、前記メインマッハツェンダ導波路、前記第1サブマッハツェンダ導波路、および前記第2サブマッハツェンダ導波路に対応して前記基板に設けられている電極に供給するRF信号の位相を反転して、前記周波数シフト方向を切り換える、請求項4に記載のレーザ装置。
The optical SSB modulator includes:
A substrate and
a main Mach-Zehnder waveguide provided on the substrate and having a first arm waveguide and a second arm waveguide;
a first sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the first arm waveguide;
a second sub-Mach-Zehnder waveguide provided in the second arm waveguide;
The control unit inverts the phase of an RF signal supplied to electrodes provided on the substrate corresponding to the main Mach-Zehnder waveguide, the first sub-Mach-Zehnder waveguide, and the second sub-Mach-Zehnder waveguide. 5. The laser device according to claim 4, wherein the frequency shift direction is switched.
請求項1に記載の前記レーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
The laser device according to claim 1;
a branching section that branches part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device as reference light and branches at least part of the remaining part as measurement light;
a beat signal generation unit that generates a beat signal by mixing the reference light with the reflected light that is reflected by irradiating the measurement light onto the measurement target;
A measuring device, comprising: a detection unit that frequency-analyzes the beat signal and detects a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light.
請求項2または3に記載の前記レーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
The laser device according to claim 2 or 3;
a branching section that branches part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device as reference light and branches at least part of the remaining part as measurement light;
a beat signal generation unit that generates a beat signal by mixing the reference light with the reflected light that is reflected by irradiating the measurement light onto the measurement target;
A measuring device, comprising: a detection unit that frequency-analyzes the beat signal and detects a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light.
請求項4から6のいずれか一項に記載の前記レーザ装置と、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させる分岐部と、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合してビート信号を発生させるビート信号発生部と、
前記ビート信号を周波数解析して、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する検出部と
を備える、測定装置。
The laser device according to any one of claims 4 to 6,
a branching section that branches part of the frequency modulated laser light outputted by the laser device as reference light and branches at least part of the remaining part as measurement light;
a beat signal generation unit that generates a beat signal by mixing the reference light with the reflected light that is reflected by irradiating the measurement light onto the measurement target;
A measuring device, comprising: a detection unit that frequency-analyzes the beat signal and detects a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light.
前記制御部は、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を第1周波数と前記第1周波数よりも大きい第2周波数とのいずれかに設定してから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、
前記検出部は、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第1周波数にした場合に発生した次数判定ビート信号と、前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第2周波数にした場合に発生した距離測定ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項8に記載の測定装置。
The control unit sets the frequency shift amount of the optical SSB modulator to either a first frequency or a second frequency larger than the first frequency, and then causes the detection unit to frequency-analyze the beat signal. let me,
The detection unit detects an order determination beat signal generated when the frequency shift amount of the optical SSB modulator is set to the first frequency and when the frequency shift amount of the optical SSB modulator is set to the second frequency. detecting a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on the results of frequency analysis of the distance measurement beat signals generated in the
The measuring device according to claim 8.
前記制御部は、前記光SSB変調器の前記周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に切り換えてから、前記検出部に前記ビート信号を周波数解析させ、
前記検出部は、前記光SSB変調器の前記周波数シフト方向を正側にした場合に発生した正側ビート信号と、前記光SSB変調器の前記周波数シフト方向を負側にした場合に発生した負側ビート信号とをそれぞれ周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出する、
請求項9に記載の測定装置。
The control unit switches the frequency shift direction of the optical SSB modulator to either a positive side or a negative side, and then causes the detection unit to frequency analyze the beat signal,
The detection unit detects a positive beat signal generated when the frequency shift direction of the optical SSB modulator is set to the positive side, and a negative beat signal generated when the frequency shift direction of the optical SSB modulator is set to the negative side. detecting a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on the results of frequency analysis of the side beat signals;
The measuring device according to claim 9.
前記ビート信号発生部は、前記反射光および前記参照光を直交検波する、請求項7から11のいずれか一項に記載の測定装置。 The measuring device according to any one of claims 7 to 11, wherein the beat signal generator performs orthogonal detection of the reflected light and the reference light. 光SSB変調器の周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光SSB変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光SSB変調器の前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記正側ビート信号および前記負側ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
setting the frequency shift direction of the optical SSB modulator to either the positive side or the negative side;
outputting a plurality of modes of frequency modulated laser light from a laser device having an amplification medium and the optical SSB modulator in a laser resonator;
Part of the frequency modulated laser light output by the laser device is used as reference light, and at least part of the remaining part is branched as measurement light;
irradiating the measurement light onto the measurement target and mixing the reflected light and the reference light to generate a positive beat signal;
switching the frequency shift direction of the optical SSB modulator to the opposite direction to generate a negative beat signal;
A measuring method comprising: detecting a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on a result of frequency analysis of the positive beat signal and the negative beat signal.
光SSB変調器の周波数シフト量を第1周波数に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光SSB変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第1周波数よりも大きい第2周波数に切り換えて、距離測定ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号および前記距離測定ビート信号を周波数解析した結果に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
setting the frequency shift amount of the optical SSB modulator to a first frequency;
outputting a plurality of modes of frequency modulated laser light from a laser device having an amplification medium and the optical SSB modulator in a laser resonator;
Part of the frequency modulated laser light output by the laser device is used as reference light, and at least part of the remaining part is branched as measurement light;
generating an order determination beat signal by mixing the reference light with the reflected light that is reflected by irradiating the measurement light onto the measurement target;
switching the frequency shift amount of the optical SSB modulator to a second frequency larger than the first frequency to generate a distance measurement beat signal;
A measuring method comprising: detecting a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on a result of frequency analysis of the order determination beat signal and the distance measurement beat signal.
光SSB変調器の周波数シフト量を第1周波数に設定し、周波数シフト方向を正側および負側のいずれか一方に設定するステップと、
レーザ共振器内に増幅媒体と前記光SSB変調器とを有するレーザ装置から複数のモードの周波数変調レーザ光を出力するステップと、
前記レーザ装置が出力する前記周波数変調レーザ光の一部を参照光とし、残りの少なくとも一部を測定光として分岐させるステップと、
前記測定光を計測対象物に照射して反射された反射光と、前記参照光とを混合して次数判定ビート信号を発生させるステップと、
前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第1周波数よりも大きい第2周波数に切り換えて、正側ビート信号を発生させるステップと、
前記光SSB変調器の前記周波数シフト量を前記第2周波数のまま、前記周波数シフト方向を反対方向に切り換えて、負側ビート信号を発生させるステップと、
前記次数判定ビート信号、前記正側ビート信号、および前記負側ビート信号に基づき、前記参照光と前記測定光との伝搬距離の差を検出するステップと
を備える、測定方法。
setting the frequency shift amount of the optical SSB modulator to a first frequency, and setting the frequency shift direction to either the positive side or the negative side;
outputting a plurality of modes of frequency modulated laser light from a laser device having an amplification medium and the optical SSB modulator in a laser resonator;
Part of the frequency modulated laser light output by the laser device is used as reference light, and at least part of the remaining part is branched as measurement light;
generating an order determination beat signal by mixing the reference light with the reflected light that is reflected by irradiating the measurement light onto the measurement target;
switching the frequency shift amount of the optical SSB modulator to a second frequency larger than the first frequency to generate a positive beat signal;
generating a negative beat signal by switching the frequency shift direction of the optical SSB modulator to the opposite direction while keeping the frequency shift amount at the second frequency;
A measuring method comprising: detecting a difference in propagation distance between the reference light and the measurement light based on the order determination beat signal, the positive beat signal, and the negative beat signal.
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